仿生多胞薄壁结构的耐撞性研究与优化设计

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1、学校代号10532学号S150200256分类号U461.91密级公开硕士学位论文仿生多胞薄壁结构的耐撞性研究与优化设计学位申请人姓名张林伟培养单位机械与运载工程学院导师姓名及职称白中浩教授学科专业机械工程研究方向汽车安全论文提交日期2018年4月20日学校代号：10532学号：S150200256密级：公开湖南大学硕士学位论文仿生多胞薄壁结构的耐撞性研究与优化设计学位申请人姓名：张林伟导师姓名及职称：白中浩教授培养单位：机械与运载工程学院专业名称：机械工程论文提交日期：2018年4月20日论文答辩

2、日期：2018年5月24日答辩委员会主席：程军圣教授CrashworthinessResearchandOptimizationDesignofBionicMulti-cellThin-walledStructuresbyZHANGLinweiB.E.(HunanUniversity)2015AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringinMechanicalEngine

3、eringintheGraduateschoolofHunanUniversitySupervisorProfessorBAIZhonghaoMay,2018仿生多胞薄壁结构的耐撞性研究与优化设计摘要金属薄壁结构以其优异的吸能特性、轻便的质量和低廉的成本被广泛应用于汽车的碰撞吸能系统中。金属薄壁管耐撞性设计与优化问题也成为目前汽车研究领域的一个热点问题。为了提升金属薄壁管的耐撞性，本文首先通过有限元仿真和理论分析探究了传统多胞薄壁管的耐撞性，然后通过模拟甲虫鞘翅的微观结构，设计了一系列仿生多胞薄壁管

4、，并对比了仿生多胞薄壁管与传统多胞薄壁管的耐撞性，最后对吸能较好的仿生多胞薄壁管进行了优化设计。本文主要研究内容包括以下几个方面：（1）提出了四种不同截面布置的八边形多胞薄壁管，并建立了八边形多胞薄壁管的有限元仿真模型。同时，进行台车碰撞试验，通过对比分析有限元仿真结果与台车碰撞试验结果，验证了八边形多胞薄壁管有限元模型的有效性。基于经过验证的有限元模型，对四种不同截面布置的八边形多胞薄壁管进行了有限元仿真分析，并对比了这四种多胞薄壁管的耐撞性。结果表明，边对边截面布置的八边形多胞管的耐撞性要优于其

5、他三种截面布置的多胞管。（2）基于简化超折叠单元理论，推导了边对边截面布置的四、六、八边形多胞管的平均碰撞载荷的理论解，并将所推导的理论解表达式进行对比。同时，采用有限元仿真对比分析了边对边截面布置的四、六、八边形多胞薄壁管在轴向冲击下的耐撞性。理论与有限元分析结果表明，边对边截面布置的八边形多胞薄壁管在三种结构中具有最佳的耐撞性，且有限元仿真值和理论预测值有较高的一致性。（3）通过模拟甲虫鞘翅的微观结构，在耐撞性较好的边对边截面布置多胞薄壁管的基础上，设计了一系列新型仿生多胞薄壁管。然后，采用有限

6、元仿真对比分析了传统多胞薄壁管与仿生多胞薄壁管在轴向冲击下的耐撞性。研究结果表明，仿生多胞管O-BMCT-6在所有本文所设计的结构中具有最佳的耐撞性。（4）为了进一步提高仿生多胞管O-BMCT-6的耐撞性，采用全因子试验设计和非支配排序遗传算法NSGA-II对仿生多胞薄壁管O-BMCT-6进行优化。同时，利用全因子试验设计的样本数据对仿生多胞薄壁管O-BMCT-6进行参数化分析。多目标优化所生成的Pareto前沿上的任何一个解都是最优解，薄壁管设计者可以根据实际工程需要进行选择，从而有效地提高薄壁管

7、的耐撞性。关键词：耐撞性；台车试验；理论分析；仿生多胞薄壁管；优化设计II硕士学位论文AbstractMetalthin-walledstructuresarewidelyusedinautomotivecrashenergydissipationsystemsduetotheirexcellentenergyabsorptioncharacteristics,lightweight,andlowcost.Theproblemofcrashworthinessdesignandoptimizatio

8、nofmetalthin-walledtubeshasalsobecomeahotissueinthecurrentautomotiveresearchfield.Inordertoimprovethecrashworthinessofmetalthin-walledtubes,thispaperfirstlyexploredthecrashworthinessoftraditionalmulti-cellthin-walltubesthroughfiniteelem