仿竹结构薄壁管的轴向耐撞性分析及优化

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清华大学辅仁网/2017-07-07

仿竹结构薄壁管的轴向耐撞性分析及优化

许述财¹,邹猛²(

),魏灿刚²,王龙臻¹,张金换¹,于用军²

2. 吉林大学工程仿生教育部重点实验室, 长春 130022

Axial crashworthiness analysis and optimization of a bionic thin-walled tube based on bamboo structure

Shucai XU¹,Meng ZOU²(

),Cangang WEI²,Longzhen WANG¹,Jinhuan ZHANG¹,Yongjun YU²

1.State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2. Key Laboratory for Bionics Engineering of Ministry of Education, Jilin University, Changchun 130022, China

摘要:

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文章导读

摘要为提高薄壁管结构的耐撞性和吸能性,基于竹结构设计出由仿生节、仿生单元和仿生内管组成的仿生吸能管,并利用有限元法模拟了仿生吸能管的轴向碰撞吸能,利用响应面法求得了仿生吸能圆管的最优结构。优化得出仿生单元壁厚为1 mm、仿生内管壁厚为0.628 mm时吸能特性最优,比吸能分别为157.57 kN和34.33 kJ/kg。结果表明: 仿生设计和响应面优化,可提高薄壁管的吸能特性,可为薄壁管的优化设计提供新方法。

关键词 ：薄壁管,结构仿生,竹材,轴向吸能,响应面优化

Abstract：A bionic tube composed of bionic joints, bionic units and bionic inner tubes was developed based on the bamboo structure to improve the crashworthiness and the energy absorption of thin walled tube resistance structures. The finite element method was used to simulate the axial impact with the response surface method used to obtain the optimal structure of the bionic energy-absorbing tube. The results show that the optimal structure of the bionic tube has a thickness of 1mm for the bionic units and a thickness of 0.628mm for the bionic inner tubes, with the specific energy absorption being 157.57kN and 34.33kJ/kg, respectively. These studies provide new methods and ideas for improving crashworthiness energy absorption of thin-walled structures.

Key words：thin-walled tube structural bionics bamboo axial energy absorption response surface optimization

收稿日期: 2014-01-15 出版日期: 2015-04-16

ZTFLH:

基金资助:国家自然科学基金资助项目 (51305223,51305159);汽车安全与节能国家重点实验室开放基金 (KF11211)

引用本文:

许述财, 邹猛, 魏灿刚, 王龙臻, 张金换, 于用军. 仿竹结构薄壁管的轴向耐撞性分析及优化[J]. 清华大学学报（自然科学版）, 2014, 54(3): 299-304.
Shucai XU, Meng ZOU, Cangang WEI, Longzhen WANG, Jinhuan ZHANG, Yongjun YU. Axial crashworthiness analysis and optimization of a bionic thin-walled tube based on bamboo structure. Journal of Tsinghua University(Science and Technology), 2014, 54(3): 299-304.

链接本文:

http://jst.tsinghuajournals.com/CN/或 http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2014/V54/I3/299

图表:

仿竹节示意图

竹材的横截面梯度划分

仿生管横截面图

模型参数	数值
四边形网格的边长l/mm	3
材料密度ρ/(kg·mm^-3)	2.7×10^-6
弹性模量E/GPa	70
屈服强度SIGY/GPa	0.25
泊松比 μ	0.31
碰撞质量m/kg	400
碰撞速度v/(m·s^-1)	10

有限元模型设置参数

普通圆管、四晶胞管和仿生管的变形模式

薄壁管载荷位移曲线

薄壁管比吸能时间曲线

仿生管尺寸优化流程图

初始峰值载荷的四次响应曲面图

平均载荷的四次响应曲面

比吸能的四次响应曲面

t₁/mm	t₂/mm	IPL/kN	SEA/(kJ·kg^-1)	AL/kN
0.71	1.041	159.65	31.08	150.23
0.89	1.05	175.12	33.12	170.55
0.9	1.258	188.318	33.39	182.8
0.966	1.2	190.55	34.03	187
0.99	1.04	183.34	34.01	180.7
0.99	1.169	190.47	34.03	186.95
0.996	1	180.94	34.008	178.54
1	1.4	205.3	34.166	199.98
1	1.244	195.94	34.14	192
1	0.628	159.29	33.61	156.77
1.08	1.25	202.96	34.71	199.99
1.1	1.2	201.64	34.69	198.76
1.13	1.13	200	34.8	197.68
1.13	1	192.19	34.64	189.93
1.2	1.06	201.36	35.03	199.25

响应面得到的最优解范围

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