蜂窝材料面内冲击吸能性能优化及在电动汽车耐撞性设计中的应用

摘要

蜂窝材料具有轻质，塑性变形稳定以及能量吸收性能好等优点，因而广泛应用于汽车、航空航天以及工程建筑等领域。目前针对蜂窝材料冲击性能的研究多集中于其面外吸能性能，即冲击速度方向平行于蜂窝材料轴线方向。最新研究表明，蜂窝材料在面内冲击载荷（冲击速度方向与材料轴向正交）作用下的吸能特性更能体现出自身优点，也更具有工程应用价值，因此，本文开展了蜂窝材料的面内冲击吸能特性研究，并将该吸能材料应用与一款小型纯电动汽车的结构耐撞性设计中，提高了汽车的碰撞安全性。
　　首先，基于显式动力学有限元方法分析了面内冲击载荷作用下，在固定区域内填充的六边形蜂窝材料胞体的五个几何参数（斜边壁厚tl、竖直边壁厚th、斜边长度l、竖直边长度h及斜边与竖直边间的夹角θ）对其总吸能、总质量以及比吸能的影响，得到如下结论:蜂窝材料的总质量、总吸能及比吸能与其胞元的斜边和竖直边壁厚呈正相关;与斜边和竖直边长度呈负相关;随着胞元斜边与竖直边之间的夹角的增大，蜂窝材料总质量和总吸能呈现先减后增的变化，而比吸能则呈现先增后减的变化。
　　在上述研究基础上，以固定区域内填充的蜂窝材料胞体的五个几何参数为设计变量，以总质量最小、总吸能最大为目标，并基于响应面方法，对面内不同冲击速度下的蜂窝材料参数，进行多目标优化设计，得到了多目标优化问题的Pareto前沿曲线。通过对优化结果进行分析得出如下结论:蜂窝材料的总质量与总吸能呈正相关;同时面内冲击速度对蜂窝材料胞元的最优几何参数有一定影响。
　　最后，将蜂窝材料应用到一款小型电动汽车结构耐撞性设计中，通过对比原车模型与改进模型中前部电池处和座椅处的加速度值以及总吸能得出:应用蜂窝材料可以有效提高该款电动汽车的碰撞安全性。
　　本文的研究内容及结论，对蜂窝材料的面内冲击吸能性能及其在汽车结构耐撞性设计中的应用具有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 蜂窝材料概述

1．3 蜂窝材料冲击吸能性能研究

1．4 本文研究内容

2 有限元仿真理论及有限元分析流程

2．1 引言

2．2 有限元理论和LS-DYNA软件介绍

2．2．1 显式时间积分法

2．2．2 时间步长控制

2．2．3 沙漏问题处理

2．2．4 接触问题处理

2．2．5 单元选择

2．2．6 LS-DYNA软件算法分析

2．3 有限元仿真过程

2．4 软件介绍

2．5 本章小结

3 蜂窝材料面内冲击吸能性能分析研究

3．1 引言

3．2 蜂窝材料变形机制

3．3 蜂窝材料能量吸收性能

3．4 蜂窝材料有限元建模

3．4．1 几何模型的建立

3．4．2 有限元模型的建立

3．5 计算结果分析

3．5．1 有限元模型验证

3．5．2 参数分析

3．6 本章小结

4 基于响应面方法的蜂窝材料吸能性能多目标优化

4．1 引言

4．2 试验设计(DOE)

4．2．1 试验设计概念

4．2．2 试验设计常用术语

4．2．3 试验设计方法

4．3 响应面的拟合与检验

4．3．1 响应面拟合

4．3．2 响应面模型的检验

4．4 蜂窝材料多目标优化问题定义

4．5 蜂窝材料吸能性能优化设计

4．5．1 试验设计

4．5．2 响应面代理模型

4．5．3 优化设计结果

4．6 本章小结

5 蜂窝材料在一种小型纯电动汽车耐撞性设计中的应用

5．1 引言

5．2 有限元模型的建立

5．2．1 有限元网格划分

5．2．2 材料与属性的定义

5．2．3 连接的设定

5．2．4 接触、边界条件和控制参数的设定

5．3 模型的计算

5．4 计算结果分析

5．5 电动汽车模型改进

5．6 本章小结

结论

参考文献

附录A 试验设计点(DOE)

致谢