薄壁多细胞管结构的耐撞性研究及其优化设计

摘要

目前，金属薄壁管已被广泛应用于汽车、航空以及高速列车等交通工具的碰撞吸能耗散系统中。由于受轴向载荷冲击的金属薄壁管发生溃缩变形与汽车发生碰撞时前纵梁的吸能机理相似，因此，金属薄壁管可以看成是前纵梁的简化模型。近年来，薄壁多细胞管作为一种制造相对简单、结构质量较轻的薄壁结构，能够表现出更为理想的吸能能力，因而多细胞管结构作为吸能部件具有良好的工程应用前景，受到了许多学者的广泛关注。为了探究薄壁多细胞管在轴向压溃下的变形模式及其耐撞性能，本文主要开展了以下研究工作：
　　(1)本文设计出了五细胞管挤压模具，同时对五细胞管进行了挤压成型。并结合汽车碰撞安全性的评价法规，确定了简化前纵梁模型—薄壁管结构的耐撞性能的评价指标，通过实验分析薄壁五细胞管受轴向载荷作用的变形模式和吸能特性。
　　(2)对轴向准静态和动态冲击加载条件下的五细胞管进行了数值仿真模拟，通过实验与数值仿真结果的对比，验证了有限元模型的有效性和准确性，从而建立了可靠、有效的有限元模型。基于有效的有限元模型，在结构等质量的条件下，将多细胞管演化成不同数目的胞元管，对比分析了这些不同胞元数目胞元管的耐撞性。通过对不同细胞数目薄壁管的耐撞性对比分析，对多细胞管具有较高吸能特性的机理进行进一步探究。
　　(3)为了探究五细胞管结构的几何参数对其耐撞性能的影响，分析了五细胞管结构的管壁厚度、细胞大小和细胞连接位置对结构耐撞性的影响。研究结果表明，管壁厚度、细胞大小和细胞连接位置对结构耐撞性有较大影响，合理的考虑各个因素能够有效提升结构的耐撞性。
　　(4)为了进一步提高轴向动态冲击载荷下的多细胞管的耐撞性能，对多细胞管的耐撞性进行了优化设计。利用全因子试验设计方法，对多细胞管耐撞性优化问题的目标函数和约束条件构建了近似模型，并在此基础上采用多目标遗传算法—非支配排序遗传算法在帕累托前沿解集中找出最优的解。设计人员可以根据设计需求来选择侧重于不同耐撞性指标的最优解，从而有效地提高结构的耐撞性能。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 金属薄壁结构国内外研究现状

1.3 金属薄壁多细胞管结构的国内外研究现状

1.4 本课题主要研究内容

第2章 五细胞管的耐撞性实验研究

2.1 引言

2.2 挤压成型原理及五细胞管的挤压模具设计

2.3 准静态单向拉伸实验

2.4 薄壁五细胞管的轴向准静态压溃实验研究

2.5 薄壁五细胞管的轴向动态冲击实验研究

2.6 本章小结

第3章 五细胞管的耐撞性数值分析

3.1 引言

3.2 薄壁结构耐撞性能评价指标

3.3 有限元分析简介

3.4 五细胞管的有限元模型的建立

3.5 五细胞管数值仿真结果分析

3.6 多细胞结构的演化及其优势验证

3.7 本章小结

第4章 五细胞管的耐撞性优化设计

4.1 引言

4.2 优化理论

4.3 设计参数对五细胞管轴向动态冲击耐撞性影响分析

4.4 五细胞管的目标优化

4.5 多目标优化结果

4.6 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文