新型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究及其在車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.pdf

1、負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的能量吸收能力和輕質(zhì)化特性，在汽車工業(yè)設(shè)計(jì)中具有廣泛應(yīng)用前景，可應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中來提高零件的性能和進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)等。近年來國內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)和材料開展了廣泛的研究，并取得了大量成果，但是負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)和材料的相關(guān)研究仍存在許多問題，且研究主要集中在新型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)和材料的制造和直接應(yīng)用等方面，目前國內(nèi)對(duì)于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的研究還處于起步階段。本文基于一種新型（雙箭頭型）負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，在微觀結(jié)

2、構(gòu)參數(shù)與宏觀力學(xué)性能的關(guān)系、性能研究方法、微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和在汽車工業(yè)中進(jìn)行應(yīng)用等方面對(duì)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為系統(tǒng)和深入的研究。本文主要開展了以下幾個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容:
　　1.建立了雙箭頭型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與等效力學(xué)性能的力學(xué)模型。根據(jù)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的蜂窩結(jié)構(gòu)特性，利用等效性能的方式對(duì)雙箭頭型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)元胞拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，建立了雙箭頭型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)與等效彈性性能的力學(xué)模型，為兩者的

3、關(guān)系研究提供了理論基礎(chǔ)。同時(shí)對(duì)雙箭頭型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)特性、面內(nèi)壓縮特性和能量吸收特性等進(jìn)行了分析研究，為本文后續(xù)對(duì)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的性能仿真方法研究、優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用等建立了研究基礎(chǔ)。
　　2.建立了基于新型Timoshenko大變形梁?jiǎn)卧呢?fù)泊松比結(jié)構(gòu)仿真分析模型。傳統(tǒng)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的研究方法主要是通過利用傳統(tǒng)梁?jiǎn)卧Ｐ秃土骟w實(shí)體單元等來建立有限元模型進(jìn)行分析，存在著精度差或效率較低的問題。本文提出了一種新型Timoshen

4、ko梁?jiǎn)卧?，該梁?jiǎn)卧ㄟ^有效的結(jié)合全局坐標(biāo)系和絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)方程，使其非常適合復(fù)雜系統(tǒng)的大變形模擬，并采用合適選取形函數(shù)策略和接近近似法，能有效解決模型計(jì)算過程中容易出現(xiàn)的數(shù)值問題。針對(duì)雙箭頭型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的大變形特性，本文將該新型Timoshenko大變形梁?jiǎn)卧獞?yīng)用于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的仿真研究。基于新型Timoshenko梁?jiǎn)卧?、傳統(tǒng)梁?jiǎn)卧土骟w單元分別建立了負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)二維單胞元、二維多胞元和三維多胞元的仿真分析模型，對(duì)不同模型的仿真結(jié)

5、果進(jìn)行研究表明，基于新型Timoshenko梁?jiǎn)卧Ｐ偷呢?fù)泊松比結(jié)構(gòu)模型可很好的保證仿真分析的精度和效率，最后通過樣件的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的精度。
　　3.提出了一種基于參數(shù)化模型的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)異的力學(xué)性可被運(yùn)用到汽車零件設(shè)計(jì)中，而應(yīng)用過程中材料的微觀結(jié)構(gòu)將影響零件的宏觀性能表現(xiàn)，但是由于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的蜂窩結(jié)構(gòu)特性，目前針對(duì)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)和材料性能的有效優(yōu)化方法較少。本文針對(duì)雙箭頭型負(fù)泊松比結(jié)

6、構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種基于參數(shù)化模型、近似模型和優(yōu)化算法的微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。首先通過建立微觀結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型來提高建立結(jié)構(gòu)仿真模型的效率和準(zhǔn)確性，然后結(jié)合最優(yōu)拉丁方試驗(yàn)設(shè)計(jì)法和響應(yīng)面法建立參數(shù)化模型的響應(yīng)面模型，最后利用優(yōu)化算法對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的幾何設(shè)計(jì)和厚度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化從而改善結(jié)構(gòu)的宏觀力學(xué)性能。本文成功應(yīng)用該方法針對(duì)不同的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行不同優(yōu)化目標(biāo)和多目標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化拓?fù)?、形狀和厚度設(shè)計(jì)。
　　4.

7、提出了一種基于雙箭頭型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的新型吸能盒結(jié)構(gòu)。吸能盒設(shè)計(jì)的好壞對(duì)汽車耐撞性的表現(xiàn)有很大的影響，在汽車碰撞中吸能盒應(yīng)通過平穩(wěn)、可控的變形吸取盡可能多的能量，從而減少碰撞對(duì)于其他零部件和乘員的損傷。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法一般是針對(duì)吸能盒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，存在著優(yōu)化潛力有限等問題。本文通過將傳統(tǒng)空心吸能盒和負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)吸能內(nèi)芯進(jìn)行有效結(jié)合，首次提出一種新型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)吸能盒，該負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)吸能盒通過結(jié)合傳統(tǒng)吸能盒和負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)內(nèi)芯來提高吸能盒的能量

8、吸收能力。為驗(yàn)證新型吸能盒的有效性，在給定初始速度，恒定碰撞速度和整車正面碰撞三種工況下，分別對(duì)傳統(tǒng)吸能盒、泡沫鋁填充吸能盒和負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)吸能盒的性能進(jìn)行對(duì)比研究，主要對(duì)比分析了不同吸能盒的能量吸收、碰撞力、比吸能、壓潰位移和部件質(zhì)量等參數(shù)。同時(shí)系統(tǒng)對(duì)比研究了不同碰撞速度、不同基體材料和胞壁的夾角、厚度、寬度、長(zhǎng)度等微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)吸能盒性能的影響，并成功實(shí)現(xiàn)了針對(duì)某車型的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)吸能盒的多目標(biāo)優(yōu)化，為負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)吸能盒的