矩形截面锥形薄壁管关于能量吸收和初始碰撞力峰值的优化
基于全局近似函数的薄壁结构耐撞性多目标优化
Ａｂｓｒ ｃ Ｃｒ ｓ ｔ ａ ｔ： ａ ｈｗｏ ｔ ｎｅ ｓ ｐｔｍｉａ ｉ ｎ ｏ ｈ ｎ－ ｌｅ ｔ ｔ ｕｃ ｕｒ ｓ ｉ ｅ ｔｇ ｔ ｄ ａ ｈｅ ａ ｃ ｒ ｃ ｒ ｈｉ ｓ ｏ ｉ ｚ ｔｏ ｆ ｔ ｉ ｗａ ｌ ｄ ｍｅ ａｌｓ ｒ ｔ ｅ ｉ ｎｖ ｓ ｉ ａ ｅ ｎｄ ｔ ｃ ｕ ａ ｙ
得 精 度 最 高 的 近似 模 型 。最 后 结 合 普 适 性 最 好 的 Ｒ Ｆ 法对 圆椎 管进 行 多 目标 的耐 撞 性 优 化 ， 给 出设 计 空 间 中 Ｂ 并
的 Ｐ ｒｔ ａｅ ｏ解 集 与 Ｐ ｒｔ ａ ｅｏ曲 面 ， 供 了 多种 侧 重 不 同耐 撞 性 指 标 优 化 的 设 计 方 案 。 提 关键词 ： 撞性 ； 耐 全局 近 似 函 数 ； 向基 函数 ； 目标 优 化 径 多
ｔｏ ｓ，ｔ ｅ ａ ｃ ｒ ｃ ｆ ｔ ｐ ｏ ｍａ ｅ ｍｏ ｌ ｏ ｔｕｃ ｅ ｅ ｒ ｌｄｉｆ ｒ ｎｔｍ ｅ ｈｏ ｒ ｏｍｐ ｒ ｄ． ｉｎ ｈ ｃ ｕ ａ ｙ ｏ ｈｅ ａ ｐｒ ｘｉ ｔ ｄｅｓ ｃ ｎｓ ｒ ｔ ｄ ｂｙ ｓ ｖｅ ａ ｆ ｅ ｅ ｔ ｄｓ ａ ｅ ｃ ａｅ
ａ ｄ ｔ ｅａ ｐ ｉａ ｉ ｔ ｆｍｏ ｅ ｓｅ ｔ ｂ ｉｈ ｄ ｂ ｌ ｂ ｌ ｐ ｒ ｘ ｍａ ｅ ｆ ｎ ｔｏ ｒ ｏ ａ ｅ ． Ｔａ ｉ ｇ ｔ ｅ ｇ — ｎ ｈ ｐ ｌ ｂ ｌ ｙ ｏ ｄ ｌ ｓ ａ ｌ ｅ ｙ ｇ ｏ ａ ｐ ｏ ｉ ｔ ｕ ｃ ｉ ｎ ａ ｅｃ ｍｐ ｒ ｄ ｃ ｉ ｓ ａ ｋ ｎ ｈ ｅ
基 于 全 局 近 似 函数 的 薄 壁 结构 耐 撞 性 多 目标优 化
何 成 陈 国平 何 欢
（ 京 航 空 航 天 大 学 机 械 结 构 力 学 及 控 制 国 家 重 点 实 验 室 ， 京 ，１ ０ ６ 南 南 ２０１）
一种薄壁吸能结构的设计优化
１ 问题 描 述
在 薄 壁 结 构 的 耐 撞 性 设 计 中 ， 常 采 用 吸 能 比 通 （ Ｅ 来 描述结 构单 位质 量 的结构 所 吸收 的应 变 能 ： Ｓ Ａ）
５ ＝ ㈩
（ ｓＰ ） Ｅ 、 ｍ 关于截 面厚 度 （） ｔ 及加强 圆管 半径 （） ｒ 的关 系 ， 后进行 优化 设计 。 然 在数 学 优 化 过 程 中 ， 文 采 用 径 向 基 函 数 本 （ Ｂ ） ｍ“ 来 预估 结构 的吸 能特性 ， Ｒ Ｆ ’’ 这一 方 法 在工 程
式。数值 结果 表明采用该方法可 以精确地确定优化参数 ， 使结构 比吸能 （ ｓ得 到明显 提高。 Ｅ）
关 键 词 ：固体 力学 ； 面 优 化 ； 向基 函数 法 ； 壁 结 构 ； 截 径 薄 吸能
中 图 分 类 号 ：０ １ Ｔ ３ １ ３３；Ｕ １ 文 献标 识 码 ：Ａ
薄壁结 构 ， 为一 种性 能 良好 的缓 冲 吸 能元 件 ， 作 已
振 第２ ９卷 第 ２期
动
与
冲
击
车辆薄壁管结构优化的耐撞性应用研究
车辆薄壁管结构优化的耐撞性应用研究车辆薄壁管结构的优化，是指通过设计和改进车辆薄壁管的结构和材料，使其在承受外力时具有更好的耐撞性能。
耐撞性是指材料或结构在遭受外力作用下产生塑性变形而不发生破坏的能力。
通过优化设计薄壁管的结构形式，提高其耐撞性。
常见的优化方法包括增加薄壁管的外径、壁厚或者采用更加复杂的截面形状，以增加其在受力时的强度和刚度。
还可以通过改变薄壁管壁材料的厚度分布，使其在不同部位具有不同的刚度和强度，提高整体结构的耐撞性能。
通过选择更加适合的材料，提高薄壁管的耐撞性。
传统的车辆薄壁管一般采用钢材作为基本材料，但钢材在承受冲击载荷时往往易发生塑性变形和断裂。
近年来，随着材料科学的发展，新型高强度材料如碳纤维增强复合材料等被广泛应用于车辆薄壁管结构中，这些材料具有较高的强度和刚度，并且具有良好的耐撞性能。
还可以通过结构优化的方法，提高薄壁管结构的耐撞性。
结构优化是利用计算机辅助设计和数值模拟等技术，对薄壁管的结构进行优化设计，以改善其耐撞性能。
可以通过有限元分析等方法，对薄壁管结构进行应力分析和优化，确定最佳的结构形式和材料配比，以达到提高耐撞性的目的。
通过实验和测试手段，验证薄壁管结构的耐撞性能。
实验和测试是研究薄壁管耐撞性的重要手段，可以通过对薄壁管在真实工况下受力性能的测试和分析，获取其耐撞性参数，并进行对比和评估。
还可以通过模拟碰撞测试等方法，对薄壁管结构在碰撞情况下的耐撞性进行评估和验证。
车辆薄壁管结构的耐撞性优化应用研究，是通过改进薄壁管的结构和材料，提高其在承受外力时的强度和刚度，以及通过结构优化和实验测试手段，验证其耐撞性能。
这项研究对于提高车辆的安全性能和实际使用寿命具有重要意义。
高速列车多边形多胞吸能管耐撞性分析与优化
高速列车多边形多胞吸能管耐撞性分析与优化邹翔;高广军;董海鹏;李健;谭善志;陈榕森【摘要】为设计高速列车专用吸能结构，基于吸能薄壁管多角化和多胞化的设计原则，在传统四边形管基础上提出3种不同截面薄壁管，然后利用有限元分析软件LS－DYNA以初始峰值力、比吸能和压缩力效率为评价指标对这4种截面薄壁管轴向吸能性能进行对比分析。
研究结果表明T4管具有较强的吸能性能，能够满足高速列车碰撞吸能的需求。
为了进一步提升T4管的吸能性能，以内管边长和壁厚为设计变量，以比吸能和初始峰值力为优化函数，采用多目标粒子群优化算法对其进行多目标结构优化，得到pareto前沿解集。
利用优化结果与原设计对比发现，在峰值力一定时优化前和优化后的比吸能仅相差了0．11％，这说明原方案中T5管的结构尺寸设计的较为合理。
%To design the energy-absorbing structureof high-speed train,based on the principle of multi corner and multicell,three thin-walled tubes with different cross-sectional shapes were proposed and analyzed numeri-cally;meanwhile,conventional square tube was also analyzed for comparison.The results show that T4 tube has better performance in energy absorption.Then,the multi-objective optimizationfor T4 tube was conducted to a-chieve maximum specific energy absorption and minimum peak crushing force.The pareto frontier was obtained. Using the optimization result,the difference between the optimized tube and original tube was small,which means the original design is a good choice.【期刊名称】《铁道科学与工程学报》【年(卷),期】2016(013)007【总页数】7页(P1386-1392)【关键词】高速列车;吸能结构;多胞管;多目标优化【作者】邹翔;高广军;董海鹏;李健;谭善志;陈榕森【作者单位】中南大学交通运输工程学院轨道交通安全教育部重点实验室，湖南长沙410075;中南大学交通运输工程学院轨道交通安全教育部重点实验室，湖南长沙410075;中南大学交通运输工程学院轨道交通安全教育部重点实验室，湖南长沙410075;中南大学交通运输工程学院轨道交通安全教育部重点实验室，湖南长沙410075;南宁铁路局，广西南宁530000;南宁铁路局，广西南宁530000【正文语种】中文【中图分类】U270高速列车具有高速、方便、准时等特点，在人们的日常出行中起到重要作用；随着列车运营速度的逐步提升，其被动安全性能显得越来越重要；相关研究表明，安装专用吸能结构是提升列车被动安全性能的有效措施之一。
非对称变形模式下薄壁组合结构耐撞性研究_修瑞仙
根据世界各国铁路、公路严重伤亡事故调查资料介绍，碰撞时车体产生塑性变形大的破坏是导致乘员伤 亡的一个主要原因［1］。随着车速和载重的不断提高，车辆碰撞事故呈不断上升趋势，这对车体结构提出了 “耐撞性”的要求。在碰撞过程中，承载区的许多零件都参与碰撞变形，但是保证结构耐撞性的关键是能够控 制主要吸能件的变形。
·
M x （ t） = P（ x，t） － F（ x，x ） ．
（ 8）
其中，M 为总体质量矩阵； ··x （ t） 为总体阶段加速度矢量； P 为总体载荷矢量，由节点载荷、面力、体力等
组成； F 由单元应力场的等效节点力矢量组合而成。
考虑到粘性阻尼项，（ 8） 可变为
M··x（ t） = P（ x，t） － F（ x，·x） － c·x．
61． 85
73． 05
缓冲指数
3． 05
2． 99
2． 80
2． 61
2． 53
2． 39
表 1 详细列出了不同直径圆管非对称变形模式下各个耐撞性指标。由表 1 及图 3、图 4 可知，在非对称变 形模式下，长度及厚度相同的圆管随着直径的减小，吸能逐渐增大（ 除直径 45mm 圆管外） ，这和手风琴变形 模式下的吸能特性有很大差别； 界面力逐渐减小（ 除直径 50mm 圆管外） 。圆管直径从 65mm 减小到 40mm，比 吸能增加了 88． 96% ，缓冲指数减小了 21． 90% ，这说明圆管在非对称变形模式下，随着直径的减小，变形更加 稳定，吸能特性更好。由图 2 可知，直径 65 ～ 55mm 的圆管最终的变形只能两层皱折，直径 50 ～ 45mm 的圆管 有 3 层皱折，而直径 40mm 的圆管有 4 层皱折，这表明相同长度和厚度的圆管当直径增大时，非对称分布的皱 折形式也越来越明显，皱折的长度逐渐增大，皱折数目减小，从而吸能也逐渐减小。 2． 2 方管及蜂窝管吸能特性分析
薄壁构件的抗碰撞吸能
Ｃ ＨＥＮ Ｂ ｎ —ｈ ＡＮ Ｊ ｎ ｍｉ。 Ｓ ｉｇ ｚ ｉ ，Ｓ ｕ ． ｎ ＵＮ ｎ ｂ ｎ ，Ｚ Ｙａ — ｉ ｇ ＨＡＯ ｅ — ｈ ｎ Ｗ ｎｚｏｇ
，
（ ．ｃｏｌ ｆ ｅｈｎｃｌ Ｅｅｔ ｎｃａｄＣ ｎｒ ｎｉｅｒ ｇ Ｂ ｉｎ ｉ ｔ ｇＵ ｉ ｒｔ， ｅ ｉｇ１０４ ， ｈ－ １ Ｓｈｏ ｏ ｃａｉａ， ｌｃ ｏｉ ｎ ｏｔ ｌ ｇｎｅ ｎ ， ｅ ｉｇ ａ ｏ ｎ ｅｓｙ Ｂ ｉｎ ００４ Ｃ ｉ Ｍ ｒ ｏＥ ｉ ｊ Ｊｏｎ ｖ ｉ ｊ ｎ ；．ｃｏｌ ｆ ｒｆｃａｄＴａｓｏｔ ｉ ｎｉ ｅ ｎ ， ａａ ｉ ｔ ｇＵ ｉｅ ｉ ， ａｉ １０ ８ Ｃ ｉａ ａ２ Ｓｈｏ ｏ ａｉ ｎ ｒｎｐｒ ｔ ｎＥ ｇ ｅｒ ｇ Ｄ ｌ ｎＪ ｏ ｎ ｎｖｒ ｔ Ｄ ｌ ｎ１６ ２ ， ｈｎ ） Ｔ ｆ ａｏ ｎ ｉ ｉ ａｏ ｓｙ ａ
近些年 ， 随着车速和载重的不断提高， 车辆碰撞事故呈不断上升趋势． 交通事故 已经成 为世界第一 大杀手 ， 对人类的经济发展和生命安全都构成 了巨大的威胁． 根据世界各国铁路 、 公路严重伤亡事故调 查资料介绍 ， 由于碰撞时车体产生塑性变形大破坏是导致乘员伤亡 的一个主要原因 ． 为此 ， 在提高 列车主动安全保护以尽可能避免碰撞事故发生的同时， 进一步改进车辆 自身结构 ， 使其在碰撞事故发生
ｓ ｒ ｎ ａ ｅ ． Ａｔｔ ａ ｗｈ ｌ ｏｂｉ ｇ ｃ ｓ ｓ ｈｅ ｍｅ ｎ ｉ ｅ，ｔ ｅ ｉｆｕ ｎ ｅ ｏ ｈｅ ｄ ｓｇ ａ ｉｂ ｅ ｎ ｔ ｅ ｅ ｅ ｇ ａ ｏ ｂｉ ｇ ｈ ｎ ｅ ｃ ｆｔ ｅ ｉ ｎ ｖ ｒａ ｌ ｓｏ ｈ ｎ ｒ ｙ— ｂｓ ｒ ｎ ｌ ｏ ｉ ｇｅ ｃ ｌ ，ｄ ｕ ｌ — ｅｌ ｒｐ ｅ ｃ ｌ ａ ｄ ｑ ａ ｕ ｌ — ｅｌａ ｅ ｓ ｍｍａｉｅ ｆｓｎ ｌ — ｅｌ ｏ ｂ ｅ ｃ ｌ，ｔｉｌ — ｅ ｌ ｎ ｕ ｄｒ ｐ ｅ ｃ ｌ ｒ ｕ ｒｚ ｄ．Ｆｉ ａｌ ｈ ｄ ｉ ｅ ｎ ｌｙ ｔ ｅ ａ ｖｃ ｓ ｏ ｈ ｎ－ ｌｅ ｏ ｆｔ ｉ ｗａ ｌｄ ｃ ｍｐｏ ｎ ｓ ｄ ｓｇ ｒ ｒ ｖｄ ｄ． ｎｅ ｔ ｅ ｉ ｎ ａ ｅ ｐ ｏ ｉｅ Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ：ａ ｔ— ｒ ｓ ｉ ｇ；ｔ ｎ— ｌｅ ｏ ｏ ｅ ｔ ；ｅ ｅ ｇ ｂｓ ｒ ｉｇ ｎ ｉｃ ａ ｈ ｎ ｈｉ ｗａｌ ｄ ｃ ｍｐ ｎ ｎ ｓ ｎ ｒ ｙ ａ ｏ ｂｎ
《新型多边形锥管的能量吸收机理研究及优化设计》范文
《新型多边形锥管的能量吸收机理研究及优化设计》篇一一、引言随着汽车、航空航天等行业的快速发展，对结构件的安全性能和轻量化要求日益提高。
新型多边形锥管作为一种具有优异能量吸收特性的结构件，在碰撞安全、减震降噪等方面展现出巨大的应用潜力。
本文旨在研究新型多边形锥管的能量吸收机理，并对其优化设计进行探讨，以期为相关领域的研发和应用提供理论支持。
二、新型多边形锥管的能量吸收机理新型多边形锥管具有独特的几何形状和结构特点，使得其在受到外力冲击时，能够有效地吸收并分散能量。
其能量吸收机理主要表现在以下几个方面：1. 几何形状的能量吸收效应：多边形锥管的几何形状能够在受到冲击时产生局部的应力集中和扩散，使得能量得以分散并均匀地传递到整个结构中。
此外，多边形的边角在受到外力时能够产生一定的弯曲和扭曲变形，进一步提高了能量的吸收能力。
2. 材料特性的影响：锥管材料的力学性能对能量吸收效果具有重要影响。
高强度材料在受到外力冲击时能够产生较大的塑性变形，从而有效地吸收能量。
此外，材料的弹性模量、屈服强度等参数也会影响结构的能量吸收能力。
3. 结构的渐进性失效模式：新型多边形锥管在受到外力时，结构会发生渐进性失效，即从局部开始逐渐扩展到整个结构。
这种失效模式有助于将冲击能量逐步分散到整个结构中，避免局部应力集中导致结构的瞬间破坏。
三、优化设计探讨为了进一步提高新型多边形锥管的能量吸收性能，对其进行优化设计是十分必要的。
以下是一些优化设计的建议：1. 几何形状的优化：通过改变多边形的边数、边长、锥度等参数，可以调整结构的应力分布和变形模式，从而提高能量吸收能力。
此外，可以考虑在结构中引入变截面、开孔等设计，以进一步提高结构的吸能效果。
2. 材料的选择与组合：选择高强度、轻质材料作为锥管的主要材料，可以有效地提高结构的能量吸收能力。
同时，可以考虑采用复合材料或混合材料，以充分利用各种材料的优点。
此外，通过合理的材料组合和布局，可以进一步提高结构的整体性能。
复合材料薄壁管轴向压溃吸能特性数值分析
复合材料薄壁管轴向压溃吸能特性数值分析牟浩蕾;任健;邹田春;林龙祥【摘要】采用数值模拟方法,对具有不同截面的几何等效复合材料管在轴向压溃载荷下的破坏吸能特性进行了分析.通过将复合材料圆管的准静态压溃计算结果与试验数据对比,验证了建模方法的准确性.在相同工况下对比分析了典型截面复合材料管的准静态和冲击压溃吸能特性.结果表明,复合材料管的截面形状会影响其破坏失效模式,加载条件对管的破坏吸能特性具有一定影响.正六边形截面管具有最好的综合吸能性能.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2015(000)019【总页数】5页(P83-87)【关键词】复合材料管;截面形状;准静态压溃;冲击压溃;能量吸收【作者】牟浩蕾;任健;邹田春;林龙祥【作者单位】中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室;中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室;中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室;国航股份工程技术分公司【正文语种】中文由于复合材料结构的损伤特性与金属结构具有明显的不同，其在民用飞机上的大量运用也为适坠性验证工作带来极大的挑战[1]。
复合材料结构具有优异的能量吸收特性，在飞机坠撞事故中，复合材料结构能有效地吸收能量，缓冲加速度和冲击力。
但是，复合材料结构件的压溃吸能机制比较复杂，吸能特性的影响因素众多，需要进行大量的试验测试，导致试验周期长、成本高[2]，并且复合材料结构的吸能特性对加工工艺和试验条件等非常敏感，试验测试的可重复性较差[3-4]。
因此，采用有限元方法对复合材料结构进行合理建模仿真，对于辅助复合材料结构压溃吸能试验及设计具有重要意义。
目前，复合材料结构吸能仿真已逐步成为研究热点。
Paolo Feraboli等人进行了碳纤维增强环氧树脂正弦波纹板、方管、C型试件等的准静态压溃试验，并在试验数据的指导下，采用LS-DYNA中的MAT54材料模型进行了试件的渐进失效仿真分析。
文中对MAT54材料模型中的相关参数进行了详细分析研究，结果表明，MAT54材料模型能够较为准确地预报此类试件的吸能结果，但是分析对于某些非物理性或非试验测得的材料模型参数（如SOFT值等）具有高度的敏感性[5-6]；M.W.Joosten等对碳纤维增强复合材料梯形波纹梁的准静态压溃吸能特性进行了试验研究，并基于PAM-CRASH软件建立有限元模型进行了仿真分析，研究了复合材料结构薄弱环节的建模处理方法、层间接触的设置等内容，结果表明，PAM-CRASH有限元模型能够较好地预测此类复合材料结构的压溃吸能特性，但目前并不能够完全取代试验手段[7]。
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要求，以薄壁构件的比吸能作为优化函数，寻求在
满足约束条件时的最优值。该优化问题的数学表达
式为：
譬：茗笺 ∽
式中：ｘ＝（而而…砟）是七个设计变量所组成的向
量；∥＝（砰《…《）表示七个设计变量的下限；
ｘｕ＝（＃《…《）表示七个设计变量的上限。
２．２比吸能与初始碰撞力峰值优化
薄壁构件作为吸能元件在碰撞产生大变形过
而雹，…，而《，…，《
本文选取了四次基函数来进行响应面近似。 通过在设计空间中选取Ｐ（Ｐ＞Ⅳ）个设计样点
Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ａ－ｂｓｏ叩ｔｉｏｎ（ＳＥＡ）；ｉ１１ｉｔｉａｌ ｐｅａｋ ｆｏｒｃｅ
安全性和轻量化是当今汽车设计的发展趋势。 所谓安全性也就是指抗撞性，即要求汽车能够在突 发或特定的碰撞事件中，依靠自身结构或附件装置 的屈曲、损伤、断裂等破坏形式来减缓碰撞时的冲
击载荷，并吸收冲击能量，以达到保护乘员及贵重 物品安全的目的。吸能元件是指在冲击荷载作用下 能够吸收冲撞能量，从而避免整体结构受太强破坏 的装置。薄壁管结构由于其高效吸能性和制作工艺
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｔａｐｅｒｅｄ ｔｈｉｌｌ·ｗａｌｌｅｄ ｔｕｂｅ ｗｉｔｈ ｒｅｃｔａｌｌｇｕｌａｒ ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ ｕｓｅｄ嬲ｅｎｅＦｇｙ ａ＿ｂｓｏｒｂｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｏｐｔｉＩｌｌｉｚｅｄ ６∞ｍ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｅｎｅｒｇ）ｒ ａｂｓｏ叩ｔｉｏｎ ｃ印ａｂｉｌｉ锣ａｎｄ ｗｅｉｇｈｔ ｅ伍ｃｉｅｎｃ ｙ．Ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｅｎｅ唱ｙ ａｂｓｏ印ｔｉｏｎ（ＳＥＡ）ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏ印ｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｉｌｌｉｔｉａｌ ｐｅａｋ ｆｏｒｃｅ（ＲＥＡＦ）ｈａＶｅ ｂｅｅｎ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ懿ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ
摘要：以矩形截面锥形薄壁管为吸能元件，从吸能能力和轻量化角度出发，以比吸能和比吸能与初始碰撞力峰 值的比值为优化目标函数，采用响应面法，利用有限元软件ＬＳ．ＤⅥｑＡ，分析了矩形截面锥形薄壁管结构的几何 参数对其比吸能和比吸能与初始碰撞力峰值的比值的影响，得到了各自优化模型下的最优结果，为汽车结构吸能 元件的设计提供参考。 关键词：优化；矩形截面锥形薄壁管；响应面法；比吸能；初始碰撞力峰值 中图分类号：ＴＵ３１２ 文献标识码：Ａ
２薄壁构件抗撞击优化问题的描述
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Ｌ一数值解１
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位移ｄ／ｍ
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图３矩形截面锥形薄壁管的碰撞力和平均碰撞力与理论 值的比较
Ｆｉｇ．３ ＣｒｕｓｈｉＩｌｇ ｆｉ）ｒｃｃ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ
本文采用ＡＪｌｓｙｓ进行矩形截面锥形薄壁管的有 限元建模及网格划分，并用ＬＳ．ＤⅥ、ｉＡ作显式求解 和有关的后处理。整个薄壁管结构采用适合于大变 形的Ｂｅｌ徊ｃｈｒｋ伊Ｔｓａｙ四结点壳单元进行网格划分， 单元沿厚度方向有３个积分点，薄壁管在与刚性墙 的撞击过程中采用单面接触进行模拟，并考虑了接 触面之间的摩擦效应。
考虑如图１亿）所示一矩形截面锥形薄壁管，其 长度为办，壁管厚度为ｆ，上底长宽分别为彬，噩， 下底长宽分别为呒，毋，两个倾斜面的倾斜角口通 过改变下底的长度得到，薄壁管的下底附加一质量 为聊的刚性体，薄壁管和刚性体以初始速度ｖ撞击 固定不动的刚性墙。
模型的材料采用文献［７】中的热轧低碳钢，其屈 服应力为盯，，＝３０４．６ ＭＰａ，弹性模量为点，＝２０５ＧＰａ，
·李青（１９４５），男，湖南长沙人，教授，博士，从事结构抗撞性优化及拓扑优化等研究（Ｅ—ｍａｉｌ：Ｑｉｎｇ．Ｌｉ＠鲫ｒｏｍｅｃｈ．璐ｙ山池．ａｕ）
万方数据
工程 力
学
７１
的简便被大量的用于实际中，同时也引起广大学者 的兴趣。早在２０世纪８０年代，很多学者对各种截 面薄壁管结构在准静态、冲击荷载作用下的变形情 况作了研究ｌｌ卅。由于受资源和交通工具轻型化发 展趋势的影响，吸能元件既要保证吸能能力最大化 又要尽量不增加整体结构的质量。基于这一点，很 多学者对薄壁管结构进行几何参数的设计和优
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭ∞ｈ如ｉｃｓ龃ｄＡｅｒｏｓｐａ∞，Ｈ衄衄ＵｎｉＶｅｒｓｉ劬ｃｈ觚ｇｓｈａ，Ｈｌ蚴４ｌ００８２，ｃｈｉｎａ；
２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＡ∞ｓｐ峨，Ｍｅｃｈ觚ｉｃａｌ蛐ｄ Ｍｅｃｈａ＿帅ｎｉｃ Ｅｎｇｉｎ∞血ｇ，ｎｅ Ｕｎｊｖ啪毋ｏｆＳｙ血％Ｓｙｄｌｌ％ＮＳＷ ２００６，Ａ璐妇Ｕａ）
ｆｈｎｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ叩ｔｉｌｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｈ淞ｂｅｅｎ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｅｍｏｄ（ＲＳＭ）ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｅ
ｅｘｐｌｉｃｉｔ Ｆｉｎｉｔｅ ＥｌｅＩｎｅｎｔ ａｌｇｏｄｔｈｍ．Ｔｈｅ ｅｆｒｅｃｔｓ ｏｆ ｇｅｏｍｅ包ｒｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｐｅｒｅｄ ｍｉｎ·ｗａｌｌｅｄ ｔｕｂｅ ｗｉｔｌｌ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｃｒｏｓｓ·ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｎ ｔ、）ｌｒｏ ｏｂｊｅｃｔｉＶｅ ｍｎｃｔｉｏｎｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａＩｌａｌｙｚｅｄ，锄ｄ ｔｌｌｅ ０ｐｔｉｍａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ０ｂｔａｍｅｄ ｗｉｔｈ ｔ、Ⅳｏ ｄｉ仃ｅｒｅｍ ｏｐｔｉｒｎｊｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ．Ｔ１１ｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃａＩｌ ｂｅ ｒｅｆ．ｅ玎ｅｄ ｆｏｒ ｔｌｌｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉ印ｏｆ ｔｌｌｅ ｅ１１ｅｒｇｙ ａｂｓｏｆｂｅｒ ａＩｌｄⅡ１ｅ ｍｎｈｅｒ ｓｔｕｄｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｏｐｔｉｎｌｉｚａｔｉｏｎ；ｔａｐｅｒｅｄ ｔ１１ｉＩｌ·ｗａｌｌｅｄ ｔｕｂｅ ｗｉｔｈ ｒｅｃｔａｌｌｇｕｌａｒ ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ；ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｌｌｒｆａｃｅ ｍｅｔｈｏｄ；
第２４卷第１１期、ｂ１．２４ Ｎｏ．１ｌ
工 程力 学
２００７年 １１ 月
Ｎｏｖ． ２００７
ＥＮＧ仆陋ＥＲＪＮＧ Ｍ『ＥｃＨＡＮＩｃＳ
７０
文章编号：１０００．４７５０（２００７）ｌｌ－００７０．０６
矩形截面锥形薄壁管关于能量吸收 和初始碰撞力峰值的优化
龙述尧１，陈仙燕１，＋李青１，２
（１．湖南大学力学与航空航天学院，湖南，长沙４１００８２； ２．悉尼大学航空机械和机电一体化工程学院，悉尼ＮＳｗ ２００６澳大利亚）
本文建立了矩形截面锥形薄壁管结构以单位 质量吸收最大能量和以单位质量吸收能量与初始 碰撞力峰值的比值为优化目标的函数，利用有限元 软件Ｌｓ．ＤⅥ叮Ａ，采用响应面法，经过数值模拟和 计算，分析了锥形薄壁管结构几何参数对其比吸能 和比吸能与初始碰撞力峰值的比值的影响，得到了 各自优化模型下的最优结果。
ｌ有限元模型
化Ｍ】。
薄壁锥形管结构是指有一个或多个管壁相对 中心轴发生倾斜的薄壁管结构。作为一种新型的吸 能元件，薄壁锥形管结构有其一些优于直管吸能元· 件的特性，因此得到了广泛地关注。在相同的碰撞 条件下，薄壁锥形管能够在不减小吸能能力的情况 下，产生较直管更加稳定的冲撞力，尤其是初始碰 撞力峰值要小得多，文献［７】对两者进行对比，并作 了轴向冲击荷载作用下的能量吸收的研究。文献［２】 研究了薄壁锥形管在斜冲击荷载作用下的能量吸 收情况，并通过实验得出锥形管在冲击荷载作用下 的理论模型及冲撞力的理论解，由于在实际冲撞过 程中，冲击荷载的方向是不确定的，这就使薄壁锥 形管结构更具有优越性。－相对于薄壁直管结构，薄 壁锥形管在冲击荷载作用下吸能行为的研究较少， 特别是关于其几何参数对能量吸收的影响和优化 问题的研究。
程中，既要保证单位质量吸收尽可能多的撞击能
量，又要保证其碰撞力峰值尽可能小，以减小碰撞 产生的损失【９】。在薄壁构件碰撞的过程中，最大碰
撞力峰值～般为初始碰撞力峰值。因此我们引入一
个新的衡量吸能元件性能的指标——比吸能与初
始碰撞力峰值之比ＲＥＡＦ（Ｒａｔｉｏ ０ｆ ｓｐｅｃｉ丘ｃ Ｅｎｅｒｇ）ｒ
磊煞：学 Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｔｏ ｉｎｉｔｉａｌ ｐｅａｋ ｆ；玳：ｅ），其定义如下： ＲＥＡＦ＝ 初始碰撞力峰值 ％
ｘ工≤ｘ≤ｘ【，
式中：ｘ＝（而ｊｃ２…‰）是七个设计变量所组成的向
量；∥＝（砰《…《）表示七个设计变量的下限； ｘｕ＝（∥ｘｙ…《）表示七个设计变量的上限。
３响应面法的基本理论
在对接触、碰撞这样复杂的机械问题进行设计
优化时，采用响应面法（Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｓｕ血ｃｅ Ｍｅｔｌｌｏｄ，
ＲＳＭ）【１０】是非常有效的。在设计空间中，关于设计
工程力学
一ｒｕ暑、量Ｒ盟
应变
图２热轧低碳钢的应力．应变关系曲线
为了检验本文有限元分析的可靠性，我们采用 已有的理论分析【２】来预估矩形截面锥形薄壁管受冲 击载荷作用下的平均碰撞力。考虑一矩形截面锥形 薄壁管，其几何参数为：ｆ＝１．５ｍ弛办＝３００ｍｍ，
９＝１００，形＝５０ｍｍ，Ｅ＝鼠＝１００衄；初始速度
ｏＰＴＩＭＩＺＡＴＩＯＮ ＦｏＲ ＥＮＥＲＧＹ ＡＢＳｏＲＰＴＩｏＮ ＡＮＤ ＩＮＩＴＩＡＬ ＰＥＡＫ ＦＯＲＣＥ ｏＦ ＴＡＰＥＲＥＤ ＴＨＩＮ．ＷＡ Ｉ ＬＥＤ ＴＵＢＥＳ ＷＩＴＨ ＲＥＣＴＡＮＧＵＬＡＲ ＣＲＯＳＳ．ＳＥＣＴＩｏＮ
’
ＬＯＮＧ Ｓｈｕ．ｙａ０１，Ｃ脏Ｎ Ｘｉａｎ．ｙ锄１，‘ＬＩ Ｑｉｎ９１’２
（…４）７
万方数据
工程力学
式中，ＳＥＡ和Ｅ，分别表示结构单位质量所吸收的 能量和碰撞中初始碰撞力峰值。
同时还要考虑吸能元件的轻量化的设计要求， 为此采用薄壁构件的单位质量所吸收的能量与初 始碰撞力峰值的比值为优化函数，寻求其在满足约 束条件时的最优值。该优化问题的数学表达式为：
ｙ＝ＲＥＡＦ（ｘ）
所示的应力．应变关系。对于动载荷作用下薄壁钢管