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局部表面纳米化方形和三角形截面组合薄壁吸能结构研究
| 论文题名： | 局部表面纳米化方形和三角形截面组合薄壁吸能结构研究 |
| 关键词： | 汽车吸能装置;金属薄壁结构;局部表面纳米化;吸能性能 |
| 摘要： | 随着居民汽车拥有量大幅上升，交通事故也逐渐增加，因而汽车安全问题越来越受到关注。金属薄壁结构的吸能盒作为一种常用的吸能装置，广泛用于汽车的设计中。其原理为在汽车碰撞时吸能盒会发生塑性褶皱变形，从而吸收大量碰撞能量。目前，常用吸能盒的制作方式为预制初始形状、压痕开孔或附加挡板结构等。这些吸能盒确实可达到能量吸收的效果。然而，上述制作方式在一定程度上会改变结构的外观和完整性，降低整体强度以及增加加工工艺的难度。针对这些问题，本文采用数值模拟的方法，通过对薄壁结构局部表面纳米化，诱导和控制薄壁结构的屈曲变形和发展路径，实现提高结构能量吸收的能力，并提出一种局部表面纳米化三角形与方形截面组合薄壁吸能结构。本文包括如下研究内容和成果： （1）建立局部表面纳米化薄壁结构模型和有限元数值计算模型。研究局部表面纳米化对直角三角形截面薄壁管的吸能影响。通过分析直角三角形截面薄壁管及其31种对称环向纳米化布局和纳米化屈服极限对结构吸能的影响，发现表面纳米化可在一定程度上诱导屈曲变形且使薄壁管吸能有显著提升。研究结果表明：纳米化有利于提高结构的吸能效果；存在最佳的表面纳米化布局使结构吸能最大化；经纳米化的直角三角形截面和方形截面薄壁管皆能提高吸能能力。然而，由于三角形截面薄壁管在屈曲变形过程中的稳定性问题，其单个管不宜作为吸能结构，需要与其它结构组合设计。 （2）研究直角三角形与方形组合截面在局部表面纳米化下的吸能效果。通过分析两种直角三角形与方形组合截面薄壁管在表面纳米化后的屈曲变形和吸能表现，得到一种新的组合截面和最优表面纳米化布局。该组合截面构成四个直角三角形和两个方形图案，而最优的局部表面纳米化布局为环向反对称5等分。这种三角形与方形组合薄壁管在屈曲变形过程中呈现出渐近稳定的叠缩层模式，且相对同形未纳米化结构的比吸能提高83.90%。 （3）在单管结构研究的基础上，优化设计出一种直角三角形与方形截面组合的多胞表面纳米化吸能结构。该多胞薄壁结构在屈曲变形过程中不仅保持了渐近稳定叠缩模式，而且压缩力效率高达70.88%以及相比同形未纳米化多胞结构比吸能提升了96.67%。结果还表明，该纳米化多胞薄壁结构的比吸能相比上述纳米化单胞薄壁结构的比吸能提高89.13%。因此，这种纳米化多胞薄壁结构设计方案具有广阔的运用前景，并为今后的吸能装置设计提供一条新的途径。 |
| 作者： | 赵建宇 |
| 专业： | 力学 |
| 导师： | 徐新生 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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