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泡沫填充复合材料结构吸能性能分析及结构优化

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泡沫填充复合材料结构吸能性能分析及结构优化

作者：王多华湖南大学

学位级别：硕士

随着社会的不断发展,人们的生活水平也不断提高,世界上人均汽车保有量也在不断提高,随之而来的汽车安全事故也是越多,因此提高汽车安全性越来越显得重要。另外在保证安全前提下,轻量化也一直是汽车工业的主题,对降低排放和性能改善,能... 详细信息

随着社会的不断发展,人们的生活水平也不断提高,世界上人均汽车保有量也在不断提高,随之而来的汽车安全事故也是越多,因此提高汽车安全性越来越显得重要。另外在保证安全前提下,轻量化也一直是汽车工业的主题,对降低排放和性能改善,能源战略规划以及汽车工业的健康发展都具有重要意义。轻质及具有优良吸能性能的新型结构和材料的应用是实现汽车轻量化和提高汽车安全性的重要手段。本文提出一种新型的碳纤维增强复合材料(CFRP)填充聚氨酯泡沫(PU)的汽车前部吸能结构,并对结构进行了分析和优化。首先,通过材料性能试验获得了PU泡沫塑料及CFRP的力学性能基本参数,同时对比分析LS—DYNA材料模型库,找到适合仿真模拟本文所使用的PU泡沫塑料及CFRP的材料模型。其次,利用Hypermesh软件对PU泡沫塑料锥台、CFRP锥形空壳结构、PU泡沫塑料填充的CFRP锥台准静态压缩CATIA模型进行前处理,利用LS—DYNA求解器对Hypermesh导出的K文件进行求解。然后加工制作与有限元模型尺寸完全一样的结构,进行实验分析,实验加载方式与仿真完全一样,结果发现仿真结果与实验结果吻合较好,验证了复合材料填充结构有限元模型和材料模型的正确性。分析实验仿真结果发现泡沫填充的CFRP锥管具有良好的吸能性能,填充结构吸能能力比两种材料单独使用吸能能力强,但是填充结构的有效吸能行程降低了。最后,为提高填充锥形吸能结构的吸能能力,本文从提高有效吸能行程和改变锥形结构半顶角两点出发对结构进行了改进。在提高有效吸能行程方面,本文提出将填充的锥形结构做成中空的填充结构,结果发现中空的填充结构能够有效提升结构的吸能能力。在对半顶角改变的过程发现,结构的有效吸能能力随半顶角的减小而增加。本文末,以填充PU泡沫厚度和锥台上端半径为变量,以有效吸能最大和质量最小为目标对锥形填充空心结构进行了优化,得到一组最优解集。

关键词：聚氨酯泡沫碳纤维复合材料泡沫填充结构准静态压缩吸能

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双帽型高强钢薄壁结构耐撞性研究与优化设计

双帽型高强钢薄壁结构耐撞性研究与优化设计

作者：邓茗湖南大学

学位级别：硕士

近年来,随着我国汽车保有量的不断增长,安全、环保和节能成为汽车工业关注的焦点。为了实现汽车的轻量化,同时提高汽车的碰撞安全性,高强度钢已成为汽车车身零部件选用的主材之一,是一种极具竞争力的轻量化材料。目前对高强钢薄壁结构... 详细信息

近年来,随着我国汽车保有量的不断增长,安全、环保和节能成为汽车工业关注的焦点。为了实现汽车的轻量化,同时提高汽车的碰撞安全性,高强度钢已成为汽车车身零部件选用的主材之一,是一种极具竞争力的轻量化材料。目前对高强钢薄壁结构的研究主要集中在结构优化方面,目的是为了提高结构的耐撞性和轻量化,而对结构的性价比分析相对较少。而开发具有高性价比的产品一直是企业追求的首要目标。泡沫铝材料由于其轻质和高效的吸能特性,已成为一种新型的汽车轻量化材料。金属薄壁结构与泡沫铝材料相结合的复合结构以其优越的耐撞性并兼顾轻量化而越来越被广泛地应用于汽车工业。因此,对泡沫填充薄壁结构的耐撞性优化设计已成为车身耐撞性研究的重要环节。针对以上问题,本论文以双帽型高强钢薄壁结构和泡沫铝填充双帽型高强钢薄壁结构为研究对象,主要开展了以下几方面的研究:(1)双帽型高强钢薄壁结构的耐撞性研究。首先对双帽型高强钢薄壁结构在轴向和三点弯曲冲击下开展了一系列落锤试验。试验结果表明,材料屈服强度对结构的耐撞性有显著的影响。其次,利用有限元模型进行参数分析,分别探究了三个因素(壁厚、材料等级和冲击速度)对高强钢双帽结构的耐撞性的影响。(2)双帽型高强钢薄壁结构的性价比分析。基于有限元分析结果,针对材料屈服强度、壁厚和冲击速度这三个设计变量,建立了性能指标和成本指标(SEA,M、SEA/Cost和M/Cost)的代理模型。通过对耐撞性和性价比的三维等值面和二维等值线的分析比较,提出了平衡结构的轻量化、耐撞性和制造成本的设计方法,对高强钢材料的工程应用具有指导意义。(3)泡沫填充双帽型高强钢薄壁结构的耐撞性分析。首先进行了泡沫填充结构有限元模型的创建与验证;然后对两种不同泡沫填充结构的耐撞性进行了参数分析。结果表明:管壁参数(上下帽厚度和上帽高度)和泡沫参数(泡沫填充长度和梯度泡沫密度指数)都会在各项耐撞性指标(SEA、F、M和CFE)和变形模式等方面对结构的耐撞性能产生一定的影响。(4)泡沫铝填充双帽型薄壁结构多目标优化设计。在参数分析的基础上,以管壁参数和泡沫参数为设计变量,对梯度泡沫填充结构和等质量域的均匀泡沫填充结构分别进行了多目标优化设计。优化结果显示,多种工况下梯度泡沫填充结构的耐撞性相比于均匀泡沫填充结构均得到了一定的提升,这对泡沫填充结构的工程设计具有指导意义。

关键词：高强度钢泡沫填充结构性价比耐撞性多目标优化

轴向冲击载荷下泡沫铝填充金属圆管的数值模拟

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轴向冲击载荷下泡沫铝填充金属圆管的数值模拟

作者：任志远太原理工大学

学位级别：硕士

泡沫铝填充薄壁金属管的复合结构广泛地应用于在减轻结构质量的前提下提高结构的抗冲击性能和能量吸收能力。本文以泡沫铝为芯层的单层薄壁金属圆管和双层薄壁金属圆管为研究对象,利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA模块进行了数值仿真分析,... 详细信息

泡沫铝填充薄壁金属管的复合结构广泛地应用于在减轻结构质量的前提下提高结构的抗冲击性能和能量吸收能力。本文以泡沫铝为芯层的单层薄壁金属圆管和双层薄壁金属圆管为研究对象,利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA模块进行了数值仿真分析,研究了轴向载荷作用下两种填充结构的变形过程和吸能特性。根据已有的实验资料,建立有限元模型,模拟结果与实验结果吻合,充分验证了模型的正确性。在此基础上,考虑了金属圆管的几何尺寸和芯层材料的密度对填充结构吸能性能的影响,根据各个填充结构的径向位移分布曲线、应力云图和能量吸收曲线,对比分析各种因素对复合填充结构的变形和能量吸收能力的影响。在同等冲击条件下和相同时间内,对相同儿何参数的单层薄壁金属圆管填充结构和双层薄壁金属圆管泡沫铝填充结构进行对比,对比分析两种结构的能量吸收曲线,评价两者在吸能性能方面的优劣性。本文得到的主要结果如下： 1、在轴向冲击载荷作用下,泡沫铝复合填充结构的能量吸收量远大于单独的泡沫铝或薄壁金属空管结构的能量吸收量。 2、在相同的冲击能量下,填充结构的长度越长,填充泡沫金属的密度越小,薄壁金属管的厚度越薄,两种填充结构被压缩的轴向位移越大。填充结构的长度和填充泡沫金属的密度对两种填充结构的平均应力影响不大,而两种填充结构的平均应力会随着薄壁金属管厚度的增大而增大。填充结构的长度对两种填充结构的吸能性能影响不大,而泡沫金属的密度越大,薄壁金属管的厚度越大,两种填充结构的吸能性能会越强。 3、在相同冲击质量和冲击速度下,由于内外薄壁金属圆管与泡沫铝芯层间的相互作用,单层薄壁金属圆管泡沫铝填充结构的最大径向位移要比双层薄壁金属圆管泡沫铝填充结构大,而平均应力要比双层薄壁金属圆管泡沫铝填充结构的小。由于双圆管填充结构中泡沫金属被充分压缩,在相同时间内双层薄壁金属圆管泡沫铝结构比单层薄壁金属圆管泡沫铝结构吸收的能量更多,说明填充结构中泡沫金属的压缩程度对该结构的能量吸收影响较大。

关键词：泡沫铝泡沫填充结构能量吸收数值模拟

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复合蜂窝吸波结构电磁力学一体化研究

复合蜂窝吸波结构电磁力学一体化研究

作者：孙启峰电子科技大学

学位级别：硕士

蜂窝吸波结构是一种综合性能优异的结构型吸波材料,由于其重量轻、承载性能佳以及吸波性能优等特点,在航空、航天、船舶等领域得到广泛应用。然而蜂窝吸波结构优异的力学性能仅仅表现在面外,其面内的力学性能较差,通常面外力学性能优于... 详细信息

蜂窝吸波结构是一种综合性能优异的结构型吸波材料,由于其重量轻、承载性能佳以及吸波性能优等特点,在航空、航天、船舶等领域得到广泛应用。然而蜂窝吸波结构优异的力学性能仅仅表现在面外,其面内的力学性能较差,通常面外力学性能优于面内力学性能几十倍,在实际使用中,当受到面内作用力时容易造成失效,造成非常严重的后果。针对上述问题,本文设计一种改性聚氨酯泡沫填充蜂窝结构,主要对蜂窝结构面内的力学性能进行改善,同时兼顾电磁性能,有效拓展其应用领域。本文的主要研究内容及结论如下:1)发明一种改性聚氨酯泡沫制备方法并对其力学性能研究。通过配方设计和发泡工艺优化制备一种改性聚氨酯泡沫,引入导电碳黑实现改性聚氨酯吸波泡沫制备。力学实验结果表明导电碳黑的加入会对发泡工艺产生影响,使得泡沫孔洞增多增大,密度降低可达10Kg/m3以上,使得弹性模量及能量吸收性能相比未加碳黑结构有一定程度的下降。2)基于实验和仿真对泡沫填充蜂窝结构力学性能开展系统研究。通过准静态压缩实验,探究该结构的力学性能和变形模式变化,并与蜂窝结构进行比较。面外压缩时蜂窝结构失效模式为逐层折叠,泡沫填充后失效模式为均匀变形;且泡沫填充后1.83孔径蜂窝的屈服强度提升了 83.2%,2.75孔径蜂窝提升了 91.1%。面内压缩时,泡沫填充使得折叠带基本消失,对位移-载荷曲线平台阶段的波动具有明显的改善作用,L向的平台力提升最高可达1111.3%,W向的平台力提升可达695.7%。基于ABAQUS仿真软件对泡沫填充蜂窝结构的振动性能进行研究,结果表明泡沫填充在低阶模态时不改变蜂窝的振动模态,其固有频率提升可达300%以上。3)通过实验测试研究泡沫填充蜂窝吸波结构电磁性能。使用氰酸酯和改性聚氨酯两类泡沫,分别填充蜂窝结构,对其电磁性能开展研究。采用同轴测试系统和自由空间法对氰酸酯及自制泡沫的介电常数进行评估,发现这种氰酸酯泡沫会使得原有蜂窝吸波结构的电磁性能变差,而自制泡沫的介电常数实部接近仿真实验得到的最优值1.4。之后对改性聚氨酯泡沫填充蜂窝吸波结构的吸波性能进行测试,结果表明在特定配比下可以获得不影响蜂窝结构吸波性能的复合结构,合适的导电碳黑可以进一步提升电磁性能,在15GHz频率处最大提升可达17.3dB。

关键词：蜂窝结构泡沫填充结构电磁性能力学性能