棱锥型夹层板侧向冲击载荷下吸能特性研究

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随着交通运输、汽车船舶、航空航天等领域的飞速发展以及碳中和发展战略的提出,轻量化结构具有了更为广阔的应用背景。棱锥型夹层板作为一种新型轻量化结构板,具有良好的面内外强度、刚度及稳定性,更为可靠的结构安全性。且成形工艺简单,可用作汽车的底板、厢车的侧板、飞机的机翼等支撑承载结构。本文针对棱锥型夹层板这种具有良好吸能性能的轻型壁板结构,充分考虑了其在承载应用场景下的功能要求,通过有限元模拟和实验结合的方法,研究了其在动态冲击碰撞工况下的力学行为和吸能特性,并以比吸能和峰值载荷为评价指标,对棱锥胞元结构参数进行了优化设计,同时研究了不同碰撞条件下夹层板的动力响应。针对棱锥型夹层板胞元配合形式,研究了提高面内承载能力的胞元结构及其之间的演变过程,确定了胞元独立结构参数:a、b、h、k,分析了其在侧向冲击下的力学行为。结果表明3-6型胞元与6-6型胞元具有相同的变形行为,且沿X向具有更好的应力分布状态,更高的材料利用率和更好的缓冲过程,并通过实验验证了结果的准确性。以比吸能和峰值载荷为评价指标,分析了胞元在碰撞过程中的能量吸收行为,并结合响应面法和遗传算法对结构参数进行了优化设计,得到了满足条件的最优参数。结果表明胞元结构在碰撞过程中通过塑性变形和摩擦损耗等形式将碰撞能量完全耗散。通过优化求解,得到了两种胞元结构在约束条件下的最优结构参数。由基础胞元延伸到整体夹层板结构,研究了棱锥型夹层板结构在不同侧向冲击载荷下的面内力学行为。结果表明夹层板结构沿X向受冲击载荷时的变形行为更有利于产生均匀的折溃变形,且变形的稳定性与厚度成正相关;在一定长宽比下,夹层板厚度与胞元中心距比值超过0.3时,即可发生顺序折溃。以比吸能和峰值载荷评价了棱锥型夹层板的抗撞性,并研究了冲击能量对夹层板结构动态响应的影响。结果表明冲击能量对结构的变形行为影响较小,而冲击速度显著影响应力分布,峰值载荷与冲击速度正相关,比吸能对冲击速度更为敏感。
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