仿竹结构薄壁管的耐撞性设计和分析

【摘要】汽车耐撞性是汽车安全研究的重要方向，对保障驾乘人员的生命安全具有重要意义。汽车中薄壁管结构是重要的吸能和承载部件，因此，设计具有优良吸能和承载性能的薄壁管结构，对提高汽车的耐撞性和结构强度至关重要，也是国内外学者研究的重点和难点。研究通过工程仿生学原理进行薄壁管的结构仿生设计、性能分析和优化，以期为结构耐撞性设计提供新方法和思路。研究通过相似性分析，选取毛竹(Phyllostachypubescens)作为仿生设计的生物原型，竹材的小应变率拉伸试验得到竹材试样的拉伸强度是191.16MPa，比强度为2.36×105m2/s2，是铝材比强度的2.55倍。竹材中应变率拉伸试验得到1年生竹材的中应变率下的抗拉强度为251MPa，比强度是3.10×105m2/s2，竹材试样的比强度是铝材比强度的1.78倍。准静态压缩试验中，三年生带节试样吸收能量为221.32J，节间试样吸收能量为203.67J，带节试样比节间试样吸收的总能量提高了8.7%。落锤试验中带节试样和节间试样的吸收能量分别为568.47J和409.3J，比吸能分别为9.96J/g和5.21J/g。带节试样的比吸能与铝合金管接近，而节间试样的吸能效果与铜管接近。对比竹材与薄壁管的相似性，得到竹节提高了竹材轴向和径向的承载特性，基体组织具有缓冲载荷和连接维管束的功能，主要承载结构维管束的密度具有从竹青到竹黄逐渐减小的梯状分布特征。研究应用结构仿生学原理设计了不同结构的仿生薄壁管，仿生管由外层到内层的仿生单元数目依次为18、12和8个，仿生管的2个仿生节起到径向承载作用，3个仿生内管起到连接仿生管外壁和仿生单元的作用。通过有限元仿真的方法对比分析仿生管、锥管和晶胞管的轴向吸能和径向承载特性。选取仿生单元和仿生内管的五个不同水平进行试验设计，创建仿生管的初始峰值载荷、平均载荷和比吸能的响应面，控制仿生管的平均载荷值低于200kN，选择满足初始峰值载荷最小、比吸能最大的最优尺寸的仿生管。通过有限元仿真和响应面分析得到：4号、9号仿生管的初始峰值载荷较小，平均载荷比锥度为0.3的四晶胞锥管增大0.83倍和0.89倍，比吸能比锥度为0.3的二晶胞管的比吸能分别提高了13.3%和16.0%。8号仿生管径向承载能力最强，承受载荷为51.8kN，比2号仿生管提高了63.9%；9号仿生管的能承受的平均载荷为34.1kN。9号仿生管的抗弯强度为22.5MPa，比四晶胞管的抗弯强度提高1.5倍。优化后的9号仿生管中最优尺寸为仿生单元厚度是1mm，仿生内管的厚度是0.628mm，最优尺寸的9号仿生管的始峰值载荷和比吸能分别为157.57kN和34.33kJ/kg，可为吸能管的设计和生产提供参考。
【作者】魏灿刚；
【导师】邹猛；
【作者基本信息】吉林大学，农业机械化工程，2014，硕士
【关键词】薄壁管；结构仿生；竹材；轴向吸能；径向承载；

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