泡沫铝填充管的吸能特性研究及其在轿车前纵梁结构中的应用

发布时间：2016-12-13 13:20

  本文关键词：泡沫铝填充管的吸能特性研究及其在轿车前纵梁结构中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

《华南理工大学》 2014年

泡沫铝填充管的吸能特性研究及其在轿车前纵梁结构中的应用

曾繁波  

【摘要】：轻质、安全是现代汽车设计所追求的首要目标，如何既能满足轻量化设计需求，又能提高车辆的碰撞安全性，成为汽车设计师面临的难题。闭孔泡沫铝作为一种轻质吸能金属材料，在低密度下具有较高的比刚度和比强度，同时具有良好的抗冲击性和能量吸收性。本文对泡沫铝及其填充结构的吸能特性进行研究，并应用于汽车前纵梁结构，以碰撞安全性为主，兼顾整车轻量化的设计要求。具体研究内容包括以下几个方面： （1）通过准静态试验研究闭孔泡沫铝在单轴压缩下的变形行为，主要可划分为四个典型阶段，即线弹性变形阶段、初始屈服阶段、屈服平台阶段和致密化阶段。试验发现闭孔泡沫铝是一种各向同性材料；孔径大小对力学特性的影响较小；其力学特性的最主要影响因素是相对密度：随着相对密度的提高，泡沫铝的抗压强度和平台应力增大、致密化应变减小。通过大量试验数据，拟合出闭孔泡沫铝的杨氏模量、平台应力和致密化应变关于相对密度的函数关系式。 （2）通过74mm大直径SHPB动态冲击试验，发现闭孔泡沫铝在中、低应变率（10-3~102s-1）下不具有应变率敏感性，在汽车碰撞安全性分析中不需要考虑泡沫铝的应变率效应。 （3）给出泡沫铝及其填充结构吸能能力的评价指标，验证了泡沫铝与薄壁管在轴向压缩吸能中的相互作用效应。泡沫铝与管壁之间的相互耦合，改变了管壁的塑性变形模式，提高了塑性变形的程度，填充结构可提高承载能力33%、提高吸能能力72%。 （4）在轴向冲击作用下，填充结构的有效吸能量与压溃距离基本呈线性规律。在相同直径下，随着径厚比的提高，填充结构的吸能能力呈下降趋势；得到了不同孔隙率下有效吸能量与径厚比之间的函数关系式。径厚比对填充结构的有效吸能量、比吸能具有显著的影响，而泡沫铝密度的影响较小；泡沫铝的密度越小，径厚比对填充结构吸能能力的影响越显著。 （5）以有效吸能量和压缩力效率最大化、结构总质量最小化为优化目标，对填充结构的参数匹配进行多目标优化设计，创建响应面近似模型（RSM），，采用第二代非支配排序遗传算法（NSGA-II）求解Pareto最优解集。综合考虑填充结构的有效吸能量和结构重量，最佳径厚比应取值为36.7~37.3，泡沫铝的孔隙率为76%。 （6）将泡沫铝填充至乘用车的前纵梁结构中，可提高前纵梁的吸能能力15.3%，提高比吸能25.4%，同时重量减轻8.4%。这说明将泡沫铝应用于汽车吸能结构，不仅能显著改善车辆的碰撞安全性，还能起到轻量化的作用，具有良好的应用前景。

【关键词】：
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U465;U463.326
【目录】：

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本文编号：211645