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横向加载条件下薄壁拱形结构吸能行为研究与设计
| 论文题名： | 横向加载条件下薄壁拱形结构吸能行为研究与设计 |
| 关键词： | 汽车薄壁梁;拱形结构;横向载荷;吸能行为;耐撞性设计 |
| 摘要： | 伴随经济的发展，汽车成为越来越多家庭的代步工具。与此同时，道路交通安全事故频发，给社会造成了严重的经济损失。薄壁梁作为吸能构件被广泛应用于实际工程结构中，在发生意外碰撞事故时可以吸收冲击动能从而保障人员和结构安全。在横向载荷作用下两端简支的薄壁梁将主要发生弯曲变形，其能量吸收能力和效率相对低下。通过采用拱形结构形式，可以将横向载荷转化为轴向载荷，从而提高结构的耐撞性能。基于这一考虑，本文开展了如下工作： （1）考虑到泡沫填充是提高薄壁结构耐撞性的一种有效方法，对横向载荷下泡沫填充拱形圆管的弯曲力学行为进行了研究。首先通过对拱形空管和泡沫填充管进行三点弯曲试验，对其变形行为和能量吸收性能进行了对比分析；分别对管件材料和泡沫进行拉伸和压缩实验，获取材料力学属性；在此基础上采用LS-DYNA软件对实验进行建模仿真，数值模型得到验证后再开展结构参数化分析。研究表明，泡沫填充能有效提高拱形管结构的耐撞性能，其中泡沫的密度以及铝管壁厚对结构能量吸收效率具有重要影响，而填充长度对结构吸能效率的影响不明显。 （2）提高薄壁结构能量吸收性能的另一种有效方法是采用多胞截面，因此对横向载荷下拱形多胞方管的弯曲行为和吸能特性进行了研究。首先对铝合金四胞薄壁梁进行静动态三点弯曲试验，并建立参数化模型对试验进行模拟仿真。在数值模型基础上，对四胞薄壁直梁和拱梁结构开展参数化研究，并研究等壁厚与等质量条件下截面形式对结构弯曲响应的影响。研究表明等壁厚条件下，方形四胞管的比吸能（单位质量的能量吸收，SEA）比单胞管高60%，而在等质量条件下，单个纵向肋板的双胞截面拱形管能量吸收性能最优，其比吸能是单胞管的1.1倍。 （3）采用响应面法对泡沫填充和多胞薄壁梁结构进行了耐撞性优化设计。在多胞薄壁梁结构优化中，选取拱形四胞方管的外形轮廓和壁厚作为设计变量，以比吸能为目标，拱形管的质量为约束条件进行优化设计，最优化设计结果表明通过外形轮廓的优化，结构比吸能提高约 40%，通过壁厚参数优化，结构比吸能再提高约 20%；在泡沫填充拱形圆管的优化设计中，以铝管壁厚、填充长度以及泡沫铝密度为设计变量，以比吸能和峰值载荷为单目标或多目标进行了优化设计。以比吸能为单一目标时，最优结构设计的比吸能较初始设计提高约10%。 |
| 作者： | 于庆春 |
| 专业： | 工程力学 |
| 导师： | 张雄 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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