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 |