基于汽车吸能盒的梯度负泊松比结构多工况耐撞性研究

摘要

负泊松比结构具有质量轻、比吸能高和耐冲击等特点，同时还具有“拉胀效应”，可以使结构的刚度和强度随着结构的变形而增强。此外，具有周期性排列的负泊松比结构的胞元参数与力学性能以及吸能特性之间的直接联系也展现了其功能化设计的潜力，因而被广泛应用于汽车和航空航天等领域。对负泊松比结构耐撞性能的研究，有利于提高负泊松比结构的汽车工程化水平，同时对汽车碰撞安全性能具有重要意义。　　目前对于汽车吸能部件以及多胞结构碰撞性能的研究，尤其是负泊松比结构碰撞性能的研究多是基于理想的轴向冲击工况，鲜有考虑冲击角度对吸能结构耐撞性能的影响。然而在实际的汽车碰撞过程中，在不同冲击速度下，碰撞方向通常与汽车吸能部件轴向方向呈一定的角度。所以需要在多角度、多速度冲击工况下，对负泊松比结构的吸能特性进行进一步研究。　　本文以数值模拟方法为主，结合功能梯度设计和多目标优化设计方法，对不同维度的负泊松比内凹蜂窝结构在多工况冲击条件下的吸能特性展开了一系列研究。同时基于仿生设计原理，提出了混合梯度内凹蜂窝结构，进行了多工况吸能特性的研究，并将梯度内凹蜂窝结构填充于汽车吸能盒，进行多目标优化设计。具体研究内容如下：　　（1）以二维内凹蜂窝结构为研究对象，在不同冲击角度和不同冲击速度工况下，通过对比选择了两种典型面内冲击方向（垂直和平行于单胞水平胞壁）中综合耐撞性能更好的方向，研究了胞元结构参数对其综合耐撞性能的影响规律。总结了多工况冲击条件下，二维内凹蜂窝结构的动态响应规律、吸能特性和变形模式。制作了铝合金样件，进行了轴向压缩试验，通过与仿真结果对比分析，验证了仿真模型的可靠性。　　（2）在二维构型的基础上，以三维内凹蜂窝点阵结构为研究对象，在多工况冲击条件下对比并选择了两种典型面内冲击方向（X向和Z向）中综合耐撞性能更好的方向，研究了胞元结构参数对其综合耐撞性能的影响规律。探究了多工况冲击条件下，三维点阵结构的动态响应和吸能特性，并进行了变形模式的总结。通过制作样件进行压缩试验并与仿真结果对比的方法，验证了有限元模型的可靠性。　　（3）结合功能梯度设计原理和仿生设计理念，提出了混合梯度内凹蜂窝结构。分别以二维和三维内凹蜂窝结构为研究对象，设计了9种不同的排布方式，研究了多工况冲击条件下，结构的综合耐撞性能和变形模式。结果表明，不管是二维还是三维，横向负梯度纵向正梯度排布方式的综合耐撞性能均优于其他排布方式。　　（4）将三维内凹蜂窝点阵结构作为内芯填充于汽车吸能盒，得到填充吸能盒，并在多工况冲击条件下与其他类型吸能盒的综合耐撞性能进行对比。通过对梯度填充吸能盒进行多目标优化设计，得到了综合耐撞性能最优的梯度填充吸能盒。结果表明，优化后填充吸能盒的综合吸能量提高了12.3%，效果显著，同时稳健性分析也表明，最优设计方案具有良好的鲁棒性。

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