加强型铝蜂窝的缓冲吸能特性及其应用研究

摘要

铝蜂窝由于其质量轻、压缩易变形且变形可控、受环境影响较小等优点广泛应用在航空航天、轨道交通、汽车制造以及建筑工程等领域，可以作为吸能结构用来缓解冲击对产品及人员造成的伤害，也可用来隔音降噪隔热等。蜂窝结构的各向异性使得其可以不同程度的承受各个方向的载荷，通过压缩变形的方式来吸收能量，是一种理想的吸能器元件。为了更好的利用蜂窝结构的吸能作用，提高蜂窝强度的同时实现蜂窝吸能器的小型化和轻量化，提出一种加强型蜂窝结构，其强度得到明显提高且大小可调。当前国内外对加强型蜂窝结构的吸能特性研究尚不充分，需进行加强型蜂窝结构的理论模型建立、准静态压缩仿真分析以及对应实验验证等方面的研究。
　　本研究对六边形蜂窝异面方向的平均应力理论模型进行分析说明；在此基础上根据简化超折叠单元理论分别基于屈雷斯佳和米塞斯屈服准则建立“1+1”型加强蜂窝异面压缩平均应力理论模型，与六边形蜂窝平均应力进行对比，进一步建立其他规格加强蜂窝平均应力理论模型；分析蜂窝结构吸能特性的评估方法以及影响蜂窝吸能特性的因素，对比加强型蜂窝与普通六边形蜂窝的吸能特性。通过仿真研究不同叠加规格加强型蜂窝的异面吸能性能，仿真结果验证了加强型蜂窝异面压缩下平均应力的理论分析的正确性。选取不同冲击速度进行动态压缩仿真，对比中低高三种不同速度下蜂窝的变形模式以及平均应力；同时对比了“1+1”型加强蜂窝和普通六边形蜂窝吸能特性。为了进一步验证理论分析与仿真计算的正确性，对加强型蜂窝进行准静态压缩和动态冲击实验，准静态压缩实验结果与理论分析结果吻合较好，同时验证基于米塞斯屈服准则下的平均应力理论模型更加精准；对比动态冲击实验下不同规格蜂窝的吸能特性，可根据实际应用情况选用蜂窝。将所研究的加强型蜂窝应用到防爬吸能器中，设计一种后退导向型蜂窝式防爬吸能器，内部填充“4+1”型加强蜂窝元件，既满足设计要求又实现了吸能器的小型化；对防爬吸能器进行垂向承载的仿真和实验测试，在均满足垂向承载要求的情况下对纵向承载能力进行仿真，最后通过落锤试验机来模拟车辆碰撞工况，实验证明所设计的防爬吸能器满足设计要求，在轨道交通被动安全防护领域有很好的应用前景。

目录

1绪论

1.1课题研究目的和意义

1.2国内外缓冲吸能器研究现状

1.3国内外蜂窝结构研究现状

1.4国内外防爬吸能器的研究现状

1.5论文主要研究内容

2加强型蜂窝结构力学性能分析

2.1六边形蜂窝异面压缩特性简介

2.2加强型蜂窝平均应力理论模型建立

2.3蜂窝吸能特性评价参数分析

2.4不同规格蜂窝吸能特性对比分析

2.5本章小结

3加强型蜂窝的异面力学性能仿真分析

3.1有限元模型建立

3.2仿真压缩分析

3.3仿真结果对比分析

3.4本章小结

4加强型蜂窝异面吸能性能实验研究

4.1蜂窝准静态压缩实验研究

4.2蜂窝动态冲击实验研究

4.3实验结果对比分析

4.4本章小结

5加强型蜂窝在轨道交通领域中的应用

5.1防爬吸能器的结构设计

5.2防爬吸能器仿真分析

5.3防爬吸能器性能实验研究

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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