多胞填充薄壁管斜向耐撞性研究与优化

摘要

汽车发生碰撞时，车身结构通过溃缩变形吸收能量，其中汽车前纵梁是车身溃缩吸能的主要部件。交通事故形式多样，小角度斜向碰撞是交通事故中的常见形式。因此，研究前纵梁在斜向冲击下的耐撞性对汽车安全有重要意义。 业界通常以薄壁结构作为前纵梁的简化形式进行耐撞性分析，因此本文以薄壁管为研究对象。首先，以负泊松比（Negative Poisson's Ratio，NPR）结构作为填充胞元，分析比较了NPR填充薄壁管和非填充薄壁管的耐撞性能。其次，研究了材料属性、放置方法、内凹方向、胞元数量和结构参数对NPR结构耐撞性的影响。再次，提出了一种梯度截面NPR结构填充薄壁管，并与等截面NPR薄壁管进行了比较，发现梯度截面NPR填充薄壁管的斜向耐撞性优于等截面NPR填充薄壁管。同时，对于正向变形结构，提出了四种多边形多胞锥形管，分析并比较了四种六边形多胞锥形管在不同冲击角度下的耐撞性，发现六边形六胞锥形管耐撞性最好，进而研究了其大端外接圆半径、锥度和壁厚对于斜向耐撞性的影响。最后，利用代理模型技术对多边形多胞锥形管的结构参数进行优化。以最大比吸能和最小冲击峰值力为设计目标，以大端外接圆半径、锥度和壁厚为设计变量，得到多冲击角度下结构优化问题的Pareto前沿。 研究结果表明，NPR填充结构与多边形多胞锥形结构均能够有效提高薄壁管耐撞性。结构参数对于薄壁管的耐撞性有很大影响。两种耐撞性指标无法协同改进，利用多目标优化能显著提升多边形多胞锥形管的耐撞性，而且，不同冲击角度和不同权重分配方案下的Pareto前沿不同。

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究的主要内容

2 耐撞性分析与优化相关理论

2.1 有限元仿真技术

2.2 LS-DYNA中基本概念

2.2.1 单元类型介绍

2.2.2 材料本构模型

2.2.3 接触算法

2.3 优化方法简介

2.3.1 代理模型技术

2.3.2 代理模型精度验证

2.3.3 多目标优化

2.3.4 优化算法

2.4 本章小结

3 多边形多胞锥形管耐撞性分析

3.1 薄壁管耐撞性指标

3.2 材料模型

3.3 有限元建模及验证

3.3.1 问题描述

3.3.2 模型验证

3.4 多边形多胞锥形管耐撞性分析

3.5 结构参数对耐撞性的影响

3.5.1 锥度对耐撞性的影响

3.5.2 大端外接圆半径对耐撞性的影响

3.5.3 壁厚对耐撞性的影响

3.6 本章小结

4 NPR胞元填充管仿真及结果分析

4.1 有限元建模

4.1.1 问题描述

4.1.2 NPR结构模型验证

4.1.3 泡沫填充薄壁管模型验证

4.2 材料对耐撞性的影响

4.2.1 模型参数

4.2.2 仿真结果分析

4.3 NPR填充管与非填充管耐撞性对比

4.4 NPR填充薄壁管与泡沫填充薄壁管耐撞性对比

4.4 胞元结构方向对耐撞性的影响

4.4.1 放置方向对耐撞性的影响

4.4.2 内凹方向对耐撞性的影响

4.5 胞元密度对耐撞性的影响

4.6 NPR结构参数对耐撞性的影响

4.6.1 NPR结构截面尺寸对耐撞性的影响

4.6.2 NPR结构夹角对耐撞性的影响

4.7 梯度截面NPR结构耐撞性分析

4.8 本章小结

5 多边形多胞锥形管多目标优化设计

5.1 优化问题定义

5.2 代理模型构建与精度验证

5.3 优化结果分析

5.3.1 不同冲击角度下的优化结果分析

5.3.2 鲁棒性设计结果分析

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢