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仿甲虫鞘翅的自恢复汽车吸能填充结构优化设计
| 论文题名： | 仿甲虫鞘翅的自恢复汽车吸能填充结构优化设计 |
| 关键词： | 汽车吸能盒;点阵结构;仿甲虫鞘翅;形状恢复;多目标优化设计 |
| 摘要： | 据国家统计局数据统计中国在2020年的汽车保有量为2.81亿辆，较2019年增长了8.1%。汽车保有量的持续上升体现出我们国民生活水平的不断提高。但随之而来的，在发生交通事故时如何更好的保障车内人员的安全变得愈加重要。因此在车辆设计过程中，如何对关键吸能结构及部件的科学优化成为了汽车碰撞领域的研究重点。为提高车辆碰撞中的安全性能，本文将针对汽车关键吸能部件——吸能盒的内部填充结构，以甲虫鞘翅微结构为模板进行仿生设计，并以比吸能、峰值载荷为优化目标进行结构的多目标优化，从而实现汽车吸能盒在正面碰撞情况下的性能提升。 在结构仿生设计方面。本文根据相似性原理，以甲虫的鞘翅为仿生对象，模仿其内部圆柱状纤维束的形貌进行吸能盒内部填充结构（仿生点阵结构）的设计，并得到了一种吸能缓冲性能较为优异的仿甲虫鞘翅晶格（IBE）结构。IBE结构在有效行程内破碎力效率低，拥有良好稳定的变形模式，并且具有优良的抗冲击及形状恢复特性。为寻找出更为优异的结构参数，以实体试验与有限元模拟仿真为测试手段，对IBE结构进行了形状上的再设计，最终通过多目标优化方法得到最优的结构参数。 在吸能材料方面，将NiTi合金材料运用到汽车吸能领域，使得吸能结构具备形状记忆恢复的特性。本文利用选区激光熔化（SLM）技术并选取Ni50.8Ti49.2合金粉体材料进行样件制备，通过样件循环拉伸、水浴加热等试验对Ni50.8Ti49.2合金高强度、高弹性、形状记忆效应进行了研究探索；并运用扫描电镜（SEM）观测、差示扫描量热法（DSC）技术以及材料力学试验等手段检验Ni50.8Ti49.2合金材料的打印成型质量、金属相变温度以及力学参数等，根据检验结果确定材料制备的相关打印参数。 本文利用SEM等观测手段对甲虫鞘翅结构中轻质、高强的纤维束结构进行模仿设计，建立了一种仿甲虫鞘翅的自恢复汽车吸能盒内部填充点阵结构，并通过多目标优化设计方法求得最优结构参数。优化后的结构比吸能（SEA）提高了1.27%，并且峰值载荷力（Fmax）降低了4.34%。旨在为未来汽车被动安全领域的进一步发展提供一种可参考的设计思路与方案。 |
| 作者： | 信仁龙 |
| 专业： | 农业机械化工程 |
| 导师： | 于征磊 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 吉林大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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