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金属空心球泡沫冲击特性与多目标优化
| 论文题名： | 金属空心球泡沫冲击特性与多目标优化 |
| 关键词： | 汽车材料;金属空心球泡沫;抗冲击特性;多目标优化;有限元仿真 |
| 摘要： | 随着国内汽车千人保有量首次超过百辆，汽车产业已然成为我国的支柱产业，同时人们也越来越重视汽车的安全性能。金属空心球(Metal Hollow Sphere，MHS)泡沫作为多胞材料的新型代表，拥有优异的冲击吸能特性和巨大的轻量化潜力，在汽车和轨道交通领域有着广泛的工程应用。本文基于有限元仿真方法研究了金属空心球泡沫的冲击吸能特性并对其进行了多目标优化设计。 首先，进行了乒乓球阵列三维压缩实验，探讨了多胞材料的压缩特性，同时运用LS-DYNA进行了有限元仿真分析，并对有限元建模方法进行了验证。通过有限元仿真，分析了冲击速度和致密化点对金属空心球均质泡沫冲击吸能性能的影响。结果显示:冲击速度越高，波效应越明显，致密化点会急剧增加其远端名义应力。据此，提出了金属空心球泡沫抗冲击性能的两个评价指标，即比吸能和远端名义应力。 其次，基于有限元模型研究了MHS梯度泡沫的冲击特性，对比分析了不同冲击速度下正梯度和负梯度MHS泡沫的变形模式，发现了金属空心球梯度泡沫的变形模式是由最弱层梯度与冲击速度共同决定的。探讨了梯度全排列次序和梯度数量对金属空心球梯度泡沫的性能影响，结果表明:在冲击波效应不明显时，梯度排列次序和梯度数量对金属空心球泡沫抗冲击性能影响有限，其抗冲击性能与金属空心球均质泡沫接近;在波效应明显的冲击速度下，梯度数多且呈负梯度排列的金属空心球泡沫抗冲击性能最优。 再次，针对金属空心球泡沫的晶胞点阵结构进行了探讨研究。分别对具有简单立方、体心立方、面心立方、体心四方、密堆六方和三斜排布六种空间点阵结构的金属空心球泡沫的冲击性能进行了有限元仿真。结果表明:以结构比吸能为评价指标时，面心立方金属空心球泡沫冲击吸能性能最优。 然后，针对面心立方金属空心球负梯度泡沫进行了多目标优化设计。建立了基于碰撞吸能特性的MHS泡沫冲击特性优化模型，采用径向基函数建立了响应面代理模型，并通过先进的遗传算法NSGA-Ⅱ进行优化求解，得出Pareto最优解集。结果表明:近端梯度大且靠近近端的梯度差小的设计，金属空心球泡沫的比吸能大;远端梯度小且靠近远端的梯度差大的设计，金属空心球泡沫的远端平均应力小。 最后，将金属空心球泡沫应用于汽车耐撞性设计。将金属空心球泡沫填充在吸能盒和前纵梁前端，以结构比吸能为评价指标进行了仿真分析。结果表明:金属空心球泡沫填充能一定程度上提高系统的比吸能，从而提高汽车的被动安全性能。 |
| 作者： | 刘国平 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 亓昌 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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