基于混合元胞自动机的铝合金保险杠横梁设计

为提高保险杠横梁的耐撞性并考虑轻量化的要求,提出铝合金横梁结构的设计方法.建立耐撞性有限元仿真模型,基于混合元胞自动机方法进行耐撞性拓扑优化,根据材料分布得到H型梁的结构;采用Kriging近似模型技术,进一步优化拓扑优化后的截面尺寸.结果表明,所提出的结构设计方法可以得到合理的截面形状和尺寸,提高了保险杠横梁耐撞性且实现了轻量化设计.     

纯电动汽车正面抗撞结构耐撞性拓扑优化方法

为了解决纯电动汽车正面碰撞安全性差的问题,文章提出了一种综合考虑5种典型碰撞工况下整车优化区域以及动力电池布置分析的多目标耐撞性拓扑优化方法。基于混合元胞自动机(hybrid cellular automata,HCA)算法,耐撞性拓扑优化以单元相对密度为设计变量、结构内能密度分布统一为目标,运用固体各向同性微结构材料惩罚模型(solid isotropic material with penalization model,SIMP)下的变密度法进行材料分布;迭代收敛后,最终得到了传力路径优越、构型明朗清晰的耐撞性车身结构,同时得到符合整车性能要求的吸能纵梁形状。对优化后的整车模型进行的耐撞性验证表明,该优化结构让碰撞加速度与结构变形量同步最优化,大大增加了纯电动汽车正面碰撞的安全性,优化出的抗撞结构为纯电动汽车正面耐撞性设计提供了一定的参考。     

基于机器学习的梯度点阵材料优化设计

点阵材料具有轻质、抗冲击、高能量吸收等特性，因而在航天飞行器承载部件设计等领域有广阔应用前景. 通过对点阵材料内部杆径进行合理的梯度设计，可以提高点阵材料在高速冲击载荷作用下的动态力学性能. 利用仿真模拟数据，基于随机森林模型实现了梯度点阵材料的动态力学响应预测和结构参数优化. 以面心立方（face center cubic，FCC）结构梯度点阵材料为研究对象，通过对杆径参数的调整实现点阵材料密度的梯度化设计. 通过LS-DYNA软件计算了密度分布不同的梯度点阵材料受到冲击载荷作用时的动态力学响应，包括冲击端面与支撑端面接触应力随时间的变化曲线. 基于随机森林模型，以各层胞元的相对密度为输入，实现对点阵材料端面峰值应力的预测，并基于Gini指数分析出对不同端面处峰值应力影响最大的胞元层. 将网格搜索算法与训练好的随机森林对接，分别以两个端面上的峰值应力最高作为优化目标，获得点阵材料各层胞元相对密度的最优值. 模型对梯度点阵材料端面峰值应力的预测误差在5%以内. 数值模拟验证结果表明，优化后所得梯度点阵材料相应端面上的峰值应力高于仿真数据集内任何结构.      

多段填充复合蜂窝结构的动态响应特性研究

基于多胞材料独特的力学性能和微结构可设计性强的优势,提出一种多段三角形和六角形蜂窝填充能量吸收复合结构模型.利用显式动力有限元方法对该模型的动力响应特性和比吸能进行研究,重点讨论了不同恒定冲击速度下,蜂窝结构的排布及其相对密度对复合蜂窝结构宏观变形、动态平台应力、冲击载荷一致性和能量吸收能力的影响.研究结果表明,所设计的多段填充复合蜂窝结构能够让轴力和弯曲变形共同参与整体变形,实现I类和II类能量吸收结构的优势互补.通过对各段内微结构及段长的合理选择,复合蜂窝结构的冲击载荷效率明显提高,冲击应力波动幅度明显降低,能够有效地提高并控制蜂窝结构能量吸收效率.本文对完善多胞结构的耐撞性设计方法和控制能量吸收过程具有指导意义.     

功能梯度泡沫薄壁管斜向冲击耐撞性仿真研究

采用有限元分析方法,以比吸能和初始碰撞力峰值为评价指标,通过与等质量均值密度泡沫填充管对比,研究了一种新型功能梯度泡沫填充管在不同冲击角度下的失效模式和耐撞性能,分析了包括泡沫梯度指数、壁厚和泡沫密度变化范围在内的结构参数对其在斜向冲击下耐撞特性的影响。结果表明,功能梯度泡沫填充管在斜向冲击下的耐撞性能明显优于均值密度泡沫填充管;结构参数之间相互关联、彼此影响,均对功能梯度泡沫填充薄壁管的耐撞特性产生显著影响。     

改进响应面法在汽车正面抗撞性优化中的应用

为提高汽车正面抗撞性,提出了精确收敛于当前设计点的改进的响应面方法,并将该方法与最优拉丁方试验设计方法相结合,建立了汽车全宽正面碰撞过程中B柱加速度峰值的代理模型. 基于该代理模型使用序列二次规划算法对多组结构参数进行优化. 结果表明,使用改进的响应面法建立的代理模型具有较高精度,基于代理模型优化后汽车B柱的加速度峰值降低18.2%. 该研究为汽车正面抗撞性优化提供了一种快速便捷的方法.     

基于非均匀光滑有限元法的功能梯度压电梁自由振动分析

为了提高求解功能梯度压电材料动响应的精度,克服有限元系统刚度偏硬的缺点,提出非均匀Cell-based光滑有限元法。基于单元的梯度光滑操作,考虑材料物性沿宽度方向呈梯度连续变化,推导非均匀Cell-based光滑有限元法的基本公式,分析功能梯度压电悬臂梁的材料物性参数遵循不同梯度分布规律时结构自由振动的固有频率与振型,并与FEM求解结果进行对比。研究结果表明:光滑梯度操作可降低有限元系统的刚度,非均匀Cell-based光滑有限元法的数值解更加接近真实解,从而可为功能梯度压电材料的进一步应用提供参考。     

序列响应面方法在薄壁梁轻量化设计中的应用

提出将近似模型引入到薄壁梁的耐撞性优化设计中,并利用序列响应面优化方法对近似模型进行优化。针对基于有限元网格模型的设计变量难于参数化的问题,开发了相应的程序将薄壁梁的材料、截面尺寸及焊点布置等参数进行参数化建模。研究结果表明:优化设计改善了薄壁梁的吸能特性,使它的质量大大减轻;基于近似模型的优化算法能较大程度地提高优化效率。     

基于响应面法和麻雀搜索算法的结构有限元模型修正

为了获取准确可靠的结构有限元模型,提供结构运营期间健康监测和状态再分析的基准参照,提出了一种基于响应面法(response surface method,RSM)和麻雀搜索算法(sparrow search algorithm,SSA)的结构有限元模型修正方法.首先,基于响应面法,采用拉丁超立方设计方法进行试验设计获取样本点,以简单低阶数学模型代替特征量与参数间复杂的映射关系,构造结构宏观响应与各参数的解析表达式,基于逐步回归分析进行基函数显著性检验,运用方差理论检验模型精度获取最优响应面模型,并联合结构动力响应残差和构造目标函数;其次,基于麻雀搜索算法,对目标函数进行优化求解得到各参数最优解,代入初始有限元模型中,实现对初始有限元模型的修正;最后,基于RSM-SSA有限元模型修正方法对高维局部损伤悬臂梁数值模型实施修正,验证所提方法的可靠性和可行性,并与基于其他新兴群智能优化算法的有限元模型修正结果进行对比.结果 表明:采用该方法修正的参数和频率误差均值分别为6.549％、0.279％,修正效率和精度较其他算法有显著提升,修正后的有限元模型具有较高的精度,可真实反映结构实际力学行为.该方法为结构有限元模型修正提供一种新思路.     

基于混合模型汽车结构耐撞性的可靠性优化设计

针对多种不确定性因素对汽车结构耐撞性产生的影响,本研究提出了一种基于混合模型汽车结构耐撞性的可靠性优化设计方法.首先,建立了基于概率-区间混合模型汽车结构耐撞性的可靠性优化设计模型,并分析其嵌套情况;然后,为了减少嵌套层数,提出了一种高效的解耦策略,将原始的嵌套问题等效转化为单层的优化设计问题;最后,使用径向基函数构建了近似可靠性优化设计问题,并采用局部加密策略提高优化结果的精度.研究结果表明:该方法收敛迅速,能够达到对混合模型汽车结构耐撞性的可靠性优化设计问题快速求解的目的,对汽车结构耐撞性的优化设计具有一定的参考价值.     

复合材料仿竹薄壁管耐撞性和可靠性研究

为提高薄壁吸能管的耐撞性,该文设计了一种复合材料仿竹薄壁管。将钢材、铝材及复合材料运用于仿竹薄壁管,利用有限元法模拟薄壁管的轴向碰撞,对比分析了三类材料薄壁管的耐撞吸能效果,得出玻璃纤维/环氧树脂基复合材料仿竹薄壁管耐撞吸能效果最佳。为进一步提高薄壁管的耐撞性和可靠性,将试验设计、响应面模型、可靠性理论和优化算法相结合,求出仿竹薄壁管的最优结构。研究表明,仿生设计、复合材料运用、可靠性理论及优化算法相结合的研究方法可提高薄壁管的耐撞性能。     

八边形逐级吸能梁的设计与优化

研究了一种八边形截面逐级吸能梁结构的设计与优化方法.建立了八边形逐级吸能梁的有限元模型,通过台车试验验证了模型的有效性.采用均匀试验设计方法制订并进行了一系列不同壁厚的八边形逐级吸能梁碰撞仿真,利用仿真结果建立八边形逐级吸能梁的耐撞性回归方程,并进行了回归分析.利用遗传算法,以八边形逐级吸能梁壁厚为变量,对该吸能梁耐撞性进行多目标优化设计,获得一组耐撞性较好的八边形逐级吸能梁设计方案,并将优化方案用于车架耐撞性改进.仿真及试验结果表明,该八边形逐级吸能结构变形吸能均匀,能够更好地达到碰撞安全性要求.     

周期多孔结构的Steklov弹性特征值问题的多尺度渐近分析

本文针对周期多孔结构的Steklov弹性特征值问题发展了一种多尺度渐近分析与计算方法,通过对特征函数进行二阶双尺度渐近展开,依次推导得到了一阶单胞函数、材料等效弹性系数、均匀化弹性特征值问题及二阶单胞函数.该多尺度渐近模型的特点是均匀化特征值出现在控制微分方程中而不在孔洞边界上.通过对特征值进行二阶渐近展开并利用校正方程思想,本文得到了特征值的一阶与二阶校正表达式,给出了多尺度特征值的误差估计.最后,基于多尺度渐近展开模型本文进行了有限元计算.数值算例结果显示了多尺度分析在预测Steklov弹性特征值与特征函数的有效性及二阶校正的必要性.     

汽车正撞的数值模拟及实验验证

为了在汽车的设计阶段使被设计车辆更好地满足耐撞性的要求,以某汽车为研究对象,采用动态大变形非线性有限元模拟技术,模拟了该车正面撞击刚体墙的过程。与已完成的该车实车正面碰撞结果进行了对比分析,验证了所建立的有限元模型的正确性。在此基础上,进一步建立了该车转向系、简化的车体和混三型假人的多刚体系统,通过应用多刚体动力学技术模拟了发生碰撞时假人的动态响应并得到了其损伤指标。最后根据模拟计算得到的结果对该车前部结构的耐撞性进行了评价,并提出了结构的改进方案     

含孔功能梯度压电材料板的力电耦合无网格伽辽金法

为提高含孔功能梯度压电材料板的计算精度,基于变分原理和功能梯度压电材料的本构关系、几何关系、边界条件等,推导出功能梯度压电材料的无网格方程,提出含孔功能梯度压电材料板的力电耦合无网格伽辽金法。求解含孔功能梯度压电材料板的力学问题,研究孔边环向应力分布及力电集中问题,讨论材料参数按某一方向呈指数函数梯度变化时功能梯度压电材料的力学响应,与ANSYS计算结果进行比较,数值算例结果表明本方法正确可行且具有较高的精度,可求解任意梯度函数的功能梯度压电材料问题。     

桥梁复合材料防车撞吸能结构碰撞性能分析

针对在桥墩周围安装吸能结构可以降低车辆撞击对桥梁的情况,基于全尺寸复合材料吸能结构的台车撞击试验,通过对比试验和数值模拟结果验证有限元模型的有效性.在此基础上,考虑实际中更高撞击能量的情况,采用有限元方法分析不同撞击速度的吸能结构响应,并研究不同结构材料的耐撞性能.钢夹层结构能够吸收大部分动能并有效减小局部损伤,而复合材料蜂窝结构可以起到很好的支撑作用,同时把撞击力比较均匀地分散到整体结构,使更多结构参与吸能.计算结果表明钢夹层-蜂窝复合材料防车撞吸能结构具有良好的耐撞性能.     

低速撞击下矩形板动态断裂试验及数值仿真

在矩形板锥形冲头撞击试验的基础上,引入Johnson-Cook本构模型和失效模型,采用显式动力有限元方法对锥形冲头撞击过程中矩形板的响应规律以及断裂过程进行了计算.讨论了网格尺寸对于计算结果的影响,并对不同板厚矩形板的耐撞性能进行了比较.结果表明：所采用的材料参数及计算模型能够对撞击载荷下矩形板的动态断裂过程进行准确地预报;增加板厚能显著提高矩形板的耐撞性能及抗破坏能力.     

基于逐次神经网络近似技术的轿车简化模型多学科设计优化

提出一种空间形变技术与神经网络近似技术及多学科可行性方法相结合的多学科设计优化方法,基于此方法对轿车简化模型进行多学科设计优化。该方法使用逐次递归近似技术与空间缩放技术,使得收敛空间逐步减小,近似精度逐步提高,利用此高精度的数学代理模型替代整车碰撞学科与NVH学科的有限元模型,最后,基于此代理模型进行车身多学科设计优化,使整车耐撞性得到提高,改善了车身的一阶振动特性,减轻了整车质量。     

仿生树状分形薄壁结构的耐撞性研究

为提高薄壁管结构的耐撞性,受树枝生长规律的启发,设计了两类树状分形的薄壁多胞结构。根据简化的超折叠单元理论,针对轴向压缩工况,建立仿生薄壁管的平均冲击力理论模型,采用有限元数值模拟技术,研究分形结构对薄壁结构耐撞性的影响。结果表明：理论模型可以有效地预测仿生薄壁管的平均冲击力,树状分形设计能够促进薄壁结构的变形稳定,高阶仿生薄壁管在比吸能、载荷效率等方面优于单胞方管,且随着分形阶数的增加,仿生管的能量吸收能力和变形稳定性进一步提升。     

不可压缩弹性薄膜球形压痕问题的一种渐近解析解

针对刚性基底上不可压缩弹性薄膜的轴对称球形压痕问题,采用了一种基于Kerr模型的简单解析求解方法。在该方法中,薄膜上表面的接触压强与位移为线性微分关系。之后利用贝蒂互等定理,求解了该问题的高阶渐近解,推导了接触力、压痕深度和接触半径之间的显式关系。当忽略高阶项时,得出的高阶渐近解与现有研究中的低阶解相同。此外还建立了有限元模型来验证渐近解的精度。结果显示,与已有的低阶渐近解相比,高阶渐近解与现有的数值计算结果和有限元分析结果吻合得更好。