仿生薄壁多孔结构设计及其耐撞性研究

摘要

吸能结构广泛应用各种运载工具中，它能在碰撞事件中保护乘员和货物安全。如何提高吸能结构的耐撞性一直是碰撞安全领域中的热点问题之一。自然界中的生物经过优胜劣汰的自然选择，其组织结构通常具有优良的机械性能，这为新型吸能结构的设计提供了一种全新思路。本文参考了自然界中的三周期极小曲面(TPMS)结构和芦苇茎杆结构，将两种结构特征应用到薄壁多孔结构的设计中以提高结构的耐撞性。本文主要研究内容包括以下三个方面：　　(1)研究了一种新型曲面多孔结构，即三周期极小曲面(TPMS)多孔结构。通过实验和有限元仿真研究了四种不同构型的曲面多孔结构，分析了冲击速度、曲面厚度t和水平集常数C对耐撞性的影响，在此基础上应用代理模型和NSGA-II算法实现了对四种TPMS曲面多孔结构的耐撞性优化设计。此外还分析了四种TPMS曲面多孔结构的变形模式，发现其变形模式仅与TPMS单元构型有关，而与曲面厚度t和C值无关。　　(2)研究了芦苇茎杆截面的微观结构特征，在此基础上设计了一种仿芦苇茎多孔结构。通过有限元仿真分析了该仿生结构在三点弯曲工况和横向冲击工况下的耐撞性，并与传统薄壁管和其他仿生结构进行了比较分析。结果表明，仿芦苇茎多孔结构具有比传统薄壁管和其他仿生结构更好的侧向耐撞性和抗弯性能。此外，还分析了不同设计参数(单元划分角度α、间隔板距离l和壁厚t)对耐撞性的影响，借助COPRAS评价方法对结果进行了综合评价。评价结果表明，α=6°、l=6mm的仿芦苇茎多孔结构具有最佳侧向耐撞性。　　(3)通过将仿芦苇茎多孔结构中的二维六边形单元用三维TPMS单元代替，设计了一种基于TPMS的新型仿芦苇茎多孔结构。利用单元映射的方法建立了六种不同构型的TPMS-芦苇茎仿生结构的几何模型。通过有限元仿真分析了TPMS-芦苇茎仿生结构在横向冲击工况下的耐撞性。结果表明，FRD构型的TPMS-D型仿芦苇茎结构拥有最佳耐撞性，其单位质量吸能是原仿芦苇茎多孔结构(α=6°，l=6mm)的2.9倍。　　本文研究结果表明，基于TPMS和芦苇茎杆结构特征的仿生设计能大大提高薄壁结构的耐撞性。TPMS曲面多孔结构和仿芦苇茎多孔结构拥有比传统结构更好的综合耐撞性能，在未来的工程领域中具有良好的应用前景。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2常用耐撞性指标

1.3国内外研究现状

1.3.1二维多孔结构研究现状

1.3.2三维多孔结构研究现状

1.3.3新型仿生结构研究现状

1.4研究的主要内容

第 2 章 三维曲面多孔结构设计与分析

2.1引言

2.2三周期极小曲面（ TPMS）结构描述

2.2.1 TPMS 单元的数学描述

2.2.2 TPMS 单元的孔隙率

2.2.3 TPMS 单元的相对密度

2.3 有限元模型与实验验证

2.3.1 TPMS 可视化建模方法

2.3.2 TPMS 曲面多孔结构有限元模型

2.3.3压缩实验验证

2.4 TPMS 曲面多孔结构仿真分析

2.4.1变形模式分析

2.4.2曲面厚度 t和 C值对耐撞性的影响

2.4.3冲击速度对耐撞性的影响

2.5 TPMS 曲面多孔结构优化设计

2.5.1优化问题的定义

2.5.2优化设计方法

2.5.3实验设计和代理模型

2.5.4优化设计结果

2.6本章小结

第 3 章 仿芦苇茎多孔结构设计与分析

3.1引言

3.2芦苇茎杆的结构特征

3.3仿芦苇茎多孔结构的设计

3.3.1多孔结构横截面设计

3.3.2多孔结构纵截面设计

3.4仿芦苇茎多孔结构有限元模型

3.5仿芦苇茎多孔结构仿真分析

3.5.1三点弯曲工况

3.5.2横向冲击工况

3.5.3与其他仿生结构对比

3.6设计参数对耐撞性的影响分析

3.6.1 COPRAS 评价方法

3.6.2不同单元划分角度的影响

3.6.3不同间隔板距离的影响

3.6.4不同厚度的影响

3.7本章小结

第 4 章 基于 TPMS 的仿芦苇茎多孔结构设计与分析

4.1引言

4.2 TPMS 曲面多孔结构多角度耐撞性分析

4.3 TPMS-芦苇茎仿生多孔结构设计与建模

4.3.1 TPMS-芦苇茎仿生多孔结构的设计

4.3.2 TPMS-芦苇茎仿生多孔结构建模方法

4.4 TPMS-芦苇茎仿生多孔结构径向吸能特性分析

4.4.1 有限元模型的建立

4.4.2变形模式分析

4.4.3径向碰撞分析

4.5 本章小结

总结和展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文

致谢