车用折纸型梯度泡沫填充薄壁构件吸能特性研究

作     者：胡洪林 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：肖勇

授予年度：2024年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：折纸结构 薄壁管 梯度泡沫填充 吸能特性 多目标优化 

摘      要：随着汽车工业的快速发展,我国车辆保有量持续激增。由此引发的交通安全事故也日益凸显,汽车安全问题愈发严重。为降低因车辆发生事故后的伤亡和损失,汽车被动安全设计显得尤为重要,传统汽车吸能结构以金属单胞薄壁管为主,存在吸能效率低,峰值载荷力较大、载荷稳定性差等缺陷。近年来,将折纸图案引入薄壁结构设计,通过预折痕控制压溃变形模式,以此改善其吸能特性,具有较大的应用潜力。同时,聚氨酯泡沫具有密度低、质量轻、吸能效果好等优点,是理想的吸能填充材料。 本文针对梯度泡沫填充的折纸型薄壁方管吸能特性及优化设计进行研究。确定了折纸型填充管的折纸图案和几何模型。利用3D打印技术成功制作试验样件,并对其进行轴向准静态压缩实验,对比分析折纸型填充管层数、层间二面角、壁厚和不同密度泡沫填充对结构吸能特性的影响规律。研究结果表明:引入折痕设计能够有效改善吸能结构的吸能特性,初始峰值力PCF显著降低,同时总吸能E A仍处于较高水平。折纸型填充管采用正梯度泡沫填充方式,其吸能能力优于负梯度和单一密度泡沫填充方式。最后,针对折纸型填充管进行多目标优化设计,建立代理模型预测层间二面角、层数以及填充不同密度的泡沫与模型的相关性。分别采用NSGA-II算法与CHC算法进行多目标优化求解分析,并通过仿真和试验对比验证优化后结构参数的准确性。结果表明,CHC算法较NSGA-II算法的优化结果更为准确。优化后的最优参数解为:层间二面角度数为150°,折纸管层数为8层,填充泡沫密度为0.3g/cm3。对应的折纸型填充管其比吸能SEA较普通直管提升10.3%,初始峰值载荷PCF下降47.4%。 综上所述,本文结果表明带有折纸图案设计和泡沫填充的折纸型填充管具有优良的吸能特性,这一研究可为后续引入更复杂的折纸图案设计和工程化实际应用提供研究思路和参考价值。