铝合金矩形非均布多胞截面薄壁管轴向耐撞性能研究

发布时间：2020-05-25 02:28

【摘要】：汽车前纵梁是重要的车身结构件,在汽车发生正面碰撞时前纵梁通过溃缩变形吸收碰撞能量,从而起到一定的保护动力总成和车内乘员的作用。传统的汽车前纵梁一般为矩形截面长管,有研究指出,在受到轴向碰撞压溃载荷时,多胞复杂截面的矩形薄壁金属管件较普通矩形截面管有着更好的吸能特性,因此这种复杂结构受到越来越多学者的关注。本文研究了五种截面的铝合金矩形薄壁管件的轴向耐撞性能,其中有普通矩形截面:口字型、日字型、目字型(即单胞、双胞、非均布三胞);多胞矩形截面:田字型和九宫格型(即四胞和九胞)。并且,对结构比较复杂的目字型和九宫格型管进行了耐撞性优化设计。本文首先分析了金属薄壁管轴向压溃的变形和吸能原理,基于现有的理论推导了矩形非均布目字型截面金属薄壁管的平均压溃力预测公式。之后,针对普通截面(口字型、日字型和目字型)和多胞截面(田字型和九宫格型)分别进行了轴向准静态压溃有限元分析。此外,为了初步研究结构参数对于耐撞性的影响,针对目字型、田字型和九宫格型薄壁管的壁厚,目字型和九宫格型的内部肋板布置这些参数进行了结构参数分析。在参数分析结果的基础上,对目字型薄壁管选取了三个壁厚变量、一个内部布置变量;针对九宫格型薄壁管选取了两个壁厚变量、一个内部布置变量,确定耐撞性平均压溃力(MCF)和比吸能(SEA)为目标,对两种薄壁管件进行了确定性多目标优化设计,并从Pareto解集中找到两种结构的确定性最优解。最后,基于质量管理思想对两种管件进行了稳健性优化设计,得出了稳健性优化设计的最优结果。通过比较理论预测、试验和有限元仿真的结果,一方面验证了有限元仿真模型和新推导的理论预测公式的准确性和可靠性,另一方面发现在简单截面中,目字型薄壁管具有较好的耐撞性能;在多胞截面中,九宫格薄壁管的吸能性能非常优秀。通过结构参数分析和多目标优化代理模型的建立,发现壁厚参数和内部肋板布置位置对结构耐撞性能有比较大的影响。此外,从多目标优化结果可以看出,最优解的目字型和九宫格管件有着更加合适的管件壁厚设计和内部肋板位置安排,因此耐撞性能和初始设计相比有了较大提升。然而由于生产制造、材料属性等不确定因素的影响导致确定性优化最优解的稳健性较差。最后,对结构进行了稳健性优化设计,虽然稳健性优化结果在性能上有所牺牲,但其稳健性有较大提高。
【图文】：

侧面碰撞,正面碰撞,汽车,耐撞性

图 1.1 汽车 100%、40%正面碰撞、侧面碰撞Fig 1.1 100% and 40% frontal impact and side impact车车身在汽车被动安全中起着重要作用，为了提升整车被动安全性能，的车企采用了高强度车身甚至新型结构和复合材料。一般用耐撞性来描车身结构碰撞时的安全性能，在进行耐撞性的设计时一般将整车车身结性进行分解，分为多个耐撞性子结构，例如前后保险杠、前纵梁、B 柱加门防撞杆等。通过变形模式、能量吸收、侵入量和传力路径分析每个子车正面碰撞和侧面碰撞中的贡献和作用。此外，还要设计合理的子结构，对各个子结构或系统进行独立耐撞性评价。例如，在开发整车正面碰时，首先根据传力路径、能量分配、侵入量和车体减速度将车身结构进解，分解成多个零部件，决定主要部件的结构尺寸参数和结构属性等，部件试验验证。子结构设计完成之后再进行系统集成，然后需要进行整于汽车正面碰撞来说，起到被动安全保护作用的结构主要是前保险杠系统

压溃,变形模式

第一章绪论为首的团队专注于金属薄壁管件轴向耐撞性的研究，他们发现渐进折叠压溃是种高吸能效率的压溃方式[10]。渐进折叠压溃是指当金属薄壁管件受到轴向碰撞荷时，管件会以产生褶皱的形式吸收能量并且不断溃缩，典型的渐进折叠压溃皱变形如图 1.2 所示。之后，越来越多的学者更为深入地探索了金属薄壁管件的向耐撞性，，试图找到有较好的吸能能力同时质量较小的某些结构[11-14]。研究方主要包括对不同材料（金属材料、复合材料等）、不同外部形状（圆形截面、三形截面、矩形截面、多边形截面等）和各种不同内部结构（多胞结构等）的耐性理论分析、准静态压溃试验分析、有限元仿真和优化研究[15-20]。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U467.14;U463.83

【相似文献】