金属薄壁直梁的耐撞性能研究与优化设计

摘要

缘于现代运载工具被动安全性的迫切现实需要，结构耐撞性问题的研究具有长远的重要意义。在过去的半个多世纪里，该领域得到广泛而大量的研究，并取得了长足的进展。本文在查阅以往相关文献的基础上，针对金属薄壁直梁结构在轴向压缩时的耐撞性能研究及优化设计方面，做了一些补充工作。具体的研究内容和工作包括:
　　(1)综合对比研究了15种不同截面形式、同等质量的薄壁直梁在轴向匀速冲击下的耐撞性能。具体是使用LS_DYNA软件进行数值模拟，以各个结构的耐撞性能指标（初始冲击力峰值、总吸能、比吸能、冲程效率、冲击力效率、总效率、屈曲变形的稳定性及冲击力的平缓度）为参考，找出了比较理想和高效的吸能结构。另外，发现在结构的截面形式中，边角处的部分斜向加筋能够减弱初始冲击力极值;斜向加筋都有着使得冲击力曲线趋于平缓的效果，即“填谷效应”;边角的小方形使得总吸能量和效率显著提高，且使得结构的屈曲变形过程变得稳定;边角小方形和内部加筋的结合可以取得较为理想的效果。
　　(2)着眼代理模型技术在结构耐撞性优化研究方面的应用，对响应面和径向基函数的预测精度检测和适用性进行了研究，并针对径向基函数模型中散布常数取值机制不明确的问题进行数值研究，提出以优化方法确定的方案。基于自主优化软件SiPESC.OPT，具体措施为，首先使用遗传算法直接进行搜索选优，得到的结果可认为是最优结果，作为代理模型法参照;通过实例证实近似模型精度检测的必要性，并检验均匀试验设计、中心复合试验设计、析因试验设计在该类问题中的适用性;最后，在构造径向基函数时将散布常数设为变量，再以几个随机样点处的数值结果为目标进行模型修正，得到修正的散布常数，然后代入构造的径向基函数中，结果表明该方案得到的散布常数使得径向基函数能更好地表征结构耐撞性问题。
　　(3)多胞截面结构形式通过优化可以大幅度地提升结构的耐撞性能，针对圆形和六边形的组合多胞截面形式的薄壁管结构进行吸能能力的研究;分析对比几种结构的耐撞性能，并对耐撞性能较好的结构进行参数化研究。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 现实背景及意义

1．2 薄壁(韧性金属)结构的轴向耐撞性能及研究现状

1．3 薄壁结构耐撞性优化的研究现状

1．4 本文研究内容

2 基本理论及结构耐撞性指标

2．1 显式有限元求解理论简介

2．1．1 动力学基本方程

2．1．2 显式求解方法

2．1．3 减缩积分与沙漏问题

2．1．4 接触问题的处理和算法

2．1．5 摩擦力的计算机理

2．2 结构耐撞性指标介绍

2．2．1 现有的耐撞性指标

2．2．2 冲击力平缓度

2．2．3 一种综合性的耐撞性指标

2．3 小结

3 轴向冲击下不同截面形式薄壁直梁的耐撞性能对比研究

3．1 引言

3．2 多胞薄壁直梁有限元模型

3．3 截面形状及加筋布局

3．4 数值结果与分析

3．5 小结

4 结构耐撞性优化中径向基函数散布常数的选取策略

4．1 引言

4．2 基本理论

4．3 薄壁直梁耐撞性优化模型及自主优化软件SiPESC．OPT

4．4 直接优化法

4．5 代理模型精度检测及径向基模型散布常数的选取策略

4．6 小结

5 复合多胞薄壁直粱的耐撞性能研究

5．1 复合多胞结构的设计

5．2 复合多胞直梁的耐撞性能

5．2．1 数值模拟结果

5．2．2 不同构形的分析与对比

5．3 参数研究

5．3．1 壁厚的影响

5．3．2 内圆半径对P-C-1构形的影响

5．3．3 边角菱形边长对P-M构形的影响

5．4 小结

总结与展望

论文总结

研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢