侧面爆炸环境下车身结构优化设计研究

摘要

在当前非对称作战形式下，轻型轮式装甲车辆凭借其优良的机动性和防护能力使其在战场上得到了广泛的应用。随着战场形势的变化，简易爆炸装置对车辆和乘员的威胁越来越大，研究在爆炸冲击波作用下车辆和乘员的动态响应对提高车辆抗爆炸冲击性能和提升乘员生存能力具有重大意义。
　　以某型军车为研究对象，通过理论分析、数值模拟与试验研究相结合的方法对爆炸环境下的车身结构响应和乘员损伤响应进行了研究。主要方法如下:
　　首先，分析了爆炸仿真的主要算法。通过对比固支方形靶板爆炸试验结果，验证了CONWEP方法进行爆炸仿真研究的可行性和准确性。
　　然后，对车辆结构进行离散化处理，建立了整车有限元模型。通过模态分析方法对驾驶室白车身结构进行数值模态分析和试验模态分析，验证了有限元模型的精度。同时对车身材料进行了静态和动态力学试验，研究了材料的力学行为和损伤特性，为后续数值仿真提供准确的材料参数。
　　最后，建立了车辆侧面爆炸仿真计算模型，分析了爆炸冲击波作用下车身结构响应和乘员损伤响应。结合仿真结果分别对车门和车身侧围进行了结构改进设计，提高了原车防护能力。同时，进一步对改进结构进行了多目标优化设计。
　　结果表明，改进优化后的车身结构吸能能力增加，降低了乘员关键损伤部位的伤害风险，提高了整车侧面爆炸的防护性能。因此，本文的研究方法与研究成果在提升整车防护能力方面具有一定的指导意义，可以为提升现有车辆防护能力以及开发新型防护车辆提供一些有价值的参考意见和理论依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 车辆防护研究方法

1．2．2 车辆防护技术发展

1．2．3 车辆侧面爆炸一般特点

1．3 本文研究内容

2 炸药爆轰理论及数值仿真方法研究

2．1 炸药爆轰的基本理论

2．1．1 爆轰波的CJ理论

2．1．2 爆轰波的ZND理论

2．2 爆轰产物的状态方程

2．2．1 显含化学反应的状态方程

2．2．2 不显含化学反应的状态方程

2．3 爆炸问题数值模拟方法

2．3．1 LS-DYNA软件介绍

2．3．2 爆炸仿真算法分析

2．3．3 CONWEP爆炸仿真方法

2．4 本章小结

3 整车有限元建模

3．1 整车结构的有限元模型

3．1．1 模型简化和几何清理

3．1．2 网格划分及质量要求

3．1．3 驾驶室结构建模

3．1．4 动力和底盘系统建模

3．1．5 乘员及约束系统建模

3．2 车身材料模型研究

3．2．1 基于J-C模型的本构关系

3．2．2 基于J-C模型的断裂准则

3．3 驾驶室有限元模型的校核验证

3．3．1 模态分析理论

3．3．2 试验模态分析

3．3．3 数值模态分析

3．4 本章小结

4 侧面爆炸环境下车身结构及乘员响应分析

4．1 侧面爆炸仿真模型

4．2 爆炸冲击载荷下车身结构动态响应分析

4．2．1 车身结构变形损伤模式

4．2．2 加速度响应

4．2．3 结构吸能特性分析

4．3 爆炸冲击载荷下乘员损伤响应分析

4．3．1 损伤生物力学

4．3．2 假人腿部损伤响应

4．3．3 假人胸腰椎损伤响应

4．3．4 假人头部损伤响应

4．3．5 假人颈部损伤响应

4．4 车身结构改进

4．4．1 车门结构改进

4．4．2 车身侧围结构改进

4．4．3 改进后结构仿真分析结果

4．5 本章小结

5 车身结构优化设计研究

5．1 多目标优化流程

5．1．1 试验设计方法

5．1．2 代理模型构造方法

5．1．3 多目标优化算法

5．2 车门结构优化

5．2．1 确定优化数学模型

5．2．2 试验设计与响应面拟合

5．2．3 基于MOGA算法的优化结果

5．3 车身侧围结构优化

5．3．1 确定优化数学模型

5．3．2 试验设计与响应面拟合

5．3．3 基于MOGA算法的优化结果

5．4 优化结果分析

5．5 本章小结

6 全文总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况