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三维负泊松比结构的力学特性研究及其在汽车中的应用
| 论文题名： | 三维负泊松比结构的力学特性研究及其在汽车中的应用 |
| 关键词： | 负泊松比;吸能盒;填充内芯;多目标优化;台车碰撞 |
| 摘要： | 具有负泊松比特性的多胞结构因其在冲击载荷作用下具有轻质和高吸能等优良性能，在汽车结构设计中具有广泛的应用前景。然而，负泊松比结构的几何构型大多具有较高的孔隙率，导致空间结构利用率较低，这不可避免地降低了它们的承载力和抗冲击性能。在能量吸收设备或保护装置的应用方面，设计出一种负泊松比结构，能达到负泊松比结构的能量吸收特性，同时也能提升结构的强度和刚度是本文的要解决的核心问题。本文通过空间拓扑形式的创新提出新型负泊松比结构，在宏观力学性能、微观结构参数、结构优化和在汽车结构设计和应用等方面对负泊松比结构进行了研究。主要研究内容如下： 1.建立四方双箭头负泊松比结构的等效力学模型，采用ABAQUS有限元分析软件对负泊松比结构进行准静态研究，结合准静态压缩实验验证了等效力学模型和有限元模型的准确性。采用LS-DYNA对负泊松比结构进行动力学研究，总结负体积问题的解决方法，分析仿真前处理中单元类型对仿真精度和成本的影响。研究了负泊松比结构的变形模式、面内冲击性能和能量吸收特性，结合动态压缩实验验证了有限元模型的准确性。 2.提出空间结构利用率和孔隙率更高的新型负泊松比结构，将负泊松比结构应用于吸能盒，建立了前保险杠的台车碰撞模型，在不同速度工况下对负泊松比填充内芯吸能盒进行有限元仿真，以峰值碰撞力、吸能量和比吸能作为评价指标，对比研究了不同负泊松比填充结构在中速以及低速碰撞中对汽车前端的防护作用，对不同速度下的变形模式、能量吸收机理和耐撞性进行分析。 3.研究了负泊松比胞元角度、厚度和宽度等微观结构参数在冲击过程中对峰值碰撞力和比吸能等耐撞性指标的影响。建立了一种最优拉丁超立方体抽样（LHS）、响应面方法（RSM）和非支配遗传算法（NSGA-Ⅱ）的多目标优化策略，对微观结构参数进行了优化，改善结构的耐撞性，进一步指导了负泊松比结构的几何设计。考虑实际工程问题中大量存在的不确定性因素，采用6-Sigma稳健性分析方法对负泊松比填充内芯吸能盒进行了不确定性分析。此外，进行了负泊松比内芯结构吸能盒和传统吸能盒的台车碰撞实验，对比分析了正面碰撞下的变形模式、能量吸收特性和耐撞性，结果表明，负泊松比填充内芯能有效提高汽车耐撞性。 4.对负泊松比内芯结构在电动车门槛梁和发动机罩的应用进行有限元仿真研究。在侧面柱碰工况下，验证了负泊松比内芯结构门槛梁对纯电动乘用车电池模块的保护能力。在成人头型冲击工况下，验证了负泊松比内芯结构发动机罩对提高汽车对行人碰撞的保护能力。 |
| 作者： | 宋子钰 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 周晓勤 |
| 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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