薄壁多胞结构耐撞性研究

发布时间：2017-07-07 03:07

  本文关键词：薄壁多胞结构耐撞性研究

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【摘要】：金属薄壁吸能结构具有良好的吸能效果,因而被广泛用作汽车的吸能部件。设计出具有良好耐撞性能、轻质高效的金属薄壁吸能结构,对于提高汽车被动安全水平、节约能源等方面具有重要意义。本文研究工作围绕提高金属薄壁吸能结构的耐撞性能展开。为了改善薄壁吸能结构的耐撞性能,本文提出了4类新型吸能结构,并对其耐撞性能进行了深入研究。首先,为了推导新型吸能结构在轴向压溃下的平均载荷理论公式,同时利用有限元仿真方法对新型吸能结构进行耐撞性研究,本文重点介绍了超折叠单元理论与简化超折叠单元理论,并简述了显式非线性有限元理论的相关理论。然后,本文基于简化超折叠单元理论,推导了新型吸能结构在轴向压溃下的平均载荷理论公式。为了改善薄壁吸能结构的耐撞性能,本文提出一种新型吸能结构：双六边形多胞管。根据简化超折叠单元理论,将4类双六边形多胞管的截面划分为三种基本角单元：2-型角单元、3-型角单元、T-型角单元,分别介绍了每类角单元的能量耗散表达式。在此基础上,推导了4类双六边形多胞管在准静态轴向压溃下的平均载荷理论公式。考虑到结构动态效应对动态平均载荷的影响,推导了4类双六边形多胞管在动态轴向压溃下的平均载荷理论公式。其次,本文基于有限元仿真方法研究多胞管的耐撞性能,同时利用仿真结果对平均载荷理论公式进行可靠性验证。采用全因子试验设计方法对4类双六边形多胞管进行了试验设计,每类结构选取16个试验样本点,并分别建立有限元模型,共对64个模型进行轴向动态压溃仿真计算。将仿真得到的平均载荷与采用本文理论公式计算求得的理论预测值进行对比,验证了双六边形多胞管的平均载荷理论公式的准确性。通过对仿真结果进行对比分析,结果表明：Type-2多胞管具有最高的比吸能和载荷效率,因而具有最优的耐撞性能。最后,本文对Type-2型双六边形多胞管的工程应用进行了探究。由于Type-2型双六边形多胞管具备优良的耐撞性能,本文提出了一种新型吸能盒：Type-2吸能盒。将原吸能盒与Type-2吸能盒分别应用到某款车型的前保险杠结构中,建立其有限元模型,并进行100%正面低速碰撞(16km/h)和高速碰撞(50km/h)仿真计算。将二者的仿真结果进行对比分析,结果表明：相比原吸能盒,应用Type-2吸能盒对改善前保险杠结构的耐撞性能贡献更大,同时,采用Type-2吸能盒结构的质量降低了35.54%,有利于车身的轻量化设计。
【关键词】：多胞结构 耐撞性 理论预测 数值仿真 轻量化设计
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U467.14
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-17
• 1.1 课题的研究背景及意义12-14
• 1.2 薄壁吸能结构的研究现状14-15
• 1.2.1 国外研究现状14-15
• 1.2.2 国内研究现状15
• 1.3 课题的来源15
• 1.4 本文的研究内容及章节安排15-17
• 第2章 薄壁吸能结构研究的理论基础17-26
• 2.1 超折叠单元理论与简化超折叠单元理论17-21
• 2.1.1 超折叠单元理论17-19
• 2.1.2 简化超折叠单元理论19-21
• 2.2 显式非线性有限元理论21-25
• 2.2.1 时间步长与质量缩放21-23
• 2.2.2 接触—碰撞界面处理23-24
• 2.2.3 缩减积分与沙漏控制问题24-25
• 2.3 本章小结25-26
• 第3章 双六边形多胞管的理论分析26-35
• 3.1 引言26
• 3.2 双六边形多胞管的提出26
• 3.3 单元的能量耗散26-29
• 3.3.1 面板单元的弯曲变形能26-27
• 3.3.2 角单元的薄膜能27-29
• 3.4 双六边形多胞管在准静态轴向压溃下的平均载荷理论预测29-33
• 3.4.1 Type-1多胞管在准静态轴向压溃下的平均载荷理论公式30-31
• 3.4.2 Type-2多胞管在准静态轴向压溃下的平均载荷理论公式31
• 3.4.3 Type-3多胞管在准静态轴向压溃下的平均载荷理论公式31-32
• 3.4.4 Type-4多胞管在准静态轴向压溃下的平均载荷理论公式32-33
• 3.5 双六边形多胞管在动态轴向压溃下的平均载荷理论预测33-34
• 3.5.1 结构动态效应33-34
• 3.5.2 双六边形多胞管在动态轴向压溃下的平均载荷理论公式34
• 3.6 本章小结34-35
• 第4章 双六边形多胞管的数值仿真与理论验证35-46
• 4.1 试验设计35-36
• 4.1.1 试验设计方法35
• 4.1.2 基于仿真的试验设计35-36
• 4.2 轴向动态压溃的有限元模型36-40
• 4.2.1 有限元模型的建立36-39
• 4.2.2 有限元模型的可靠性验证39-40
• 4.3 双六边形多胞管的耐撞性能40-43
• 4.3.1 吸能结构的耐撞性能评价指标40-41
• 4.3.2 吸能结构的耐撞性能对比分析41-43
• 4.4 平均载荷理论公式的验证43-45
• 4.5 本章小结45-46
• 第5章 Type-2吸能盒在整车上的应用46-58
• 5.1 引言46
• 5.2 吸能盒的评价标准46-47
• 5.3 正面碰撞有限元模型47-50
• 5.3.1 有限元模型的建立47-49
• 5.3.2 有限元模型的可靠性验证49-50
• 5.4 低速碰撞时吸能盒耐撞性能对比50-54
• 5.5 高速碰撞时吸能盒耐撞性能对比54-57
• 5.6 本章小结57-58
• 结论与展望58-60
• 参考文献60-63
• 致谢63-64
• 附录A 攻读学位期间的研究成果64

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本文编号：528650