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功能梯度化薄壁吸能结构耐撞性能研究与优化
| 论文题名： | 功能梯度化薄壁吸能结构耐撞性能研究与优化 |
| 关键词： | 汽车工程;功能梯度泡沫;功能梯度管壁;耐撞性能;多目标优化算法 |
| 摘要： | 能源压力和环境恶化迫使汽车行业实行车身轻量化，以减轻车身质量、减少能源的消耗和尾气排放。为了不在车身轻量化中降低车辆原有的性能，一种将车身零件功能梯度化的思想被提了出来，它通过提高材料利用率来实现在降低质量的同时提升性能。汽车吸能器是保证车辆被动安全的重要部件，在发生碰撞事故时吸能器通过变形吸收大部分能量来保护乘客安全。 功能梯度泡沫（FGF,Functionally Graded Foam）和功能梯度管壁（FGW,Functionally Graded Wall）都是根据功能梯度化思想设计出的新奇结构，前者是泡沫密度功能梯度化，后者是管壁厚度功能梯度化。近期研究表明它们在轴向加载下有很好的吸能性能，因而获得广泛的关注。然而，在现实中吸能器不会只承受轴向加载。尤其在真实的交通事故中，它在大多情况下都要承受一定的倾斜加载。本文旨在研究FGF-UW（Functionally Graded Foam-Filled Uniform Wall）方管和UF-FGW（Uniform Foam-Filled Functionally GradedWall）圆管在多种加载方式下的防撞性。FGF-UW方管内填充的FGF，其密度在轴向由幂指数n来控制变化。数值分析结果表明在多种加载方式下的FGF-UW方管比对应的UF-UW（Uniform Foam-Filled Uniform Wall）方管有更好的防撞性，并且参数n对FGF-UW方管的防撞性能影响很大。UF-FGW圆管的管壁是FGW，由幂指数 m控制，在轴向变化。数值分析结果表明在多种加载方式下的UF-FGW圆管比对应的其他三种配置的圆管有更好的防撞性，并且参数m和厚度范围对UF-FGW圆管的防撞性影响很大。 为了得到在特定加载下有最优的防撞性的FGF-UW方管，应用了基于非支配排序的多目标优化算法（NSGA-II）来寻找最优的梯度。其中，应用了RBF这种近似模型方法来建立SEA（Specific Energy Absorption）和IPF（Initial Peak Force）的近似模型。优化结果表明不同冲击角度下的优化结果不同。所以，为了增加稳健性，实施了一种综合多种加载角的多目标优化设计。优化的结果进一步表明了FGF-UW方管相比UF-UW方管有更好的防撞性。所以FGF-UW方管被推荐为一种有潜力的吸能器。然后同样地，使用RBF近似模型和NSGA-II，进行综合多种加载角的多目标优化设计，来对UF-FGW圆管进行优化，优化的结果表明了UF-FGW圆管相比其他对应配置的吸能结构有更好的耐撞性。所以优化后的UF-FGW圆管也是一种有更好效果的吸能器。 |
| 作者： | 张哲硕 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 李光耀 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 湖南大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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