轻质薄壁吸能结构广泛应用于汽车、船舶、航空航天等各个领域,作为发生碰撞等突发事件时耗散冲击动能的主要构件。设计出轻质高效并具有良好耐撞性能的薄壁吸能构件对于保障人民生命和财产安全、节约能源、促进环保等方面具有重大的实际意义。本文围绕提高轻质金属薄壁结构的耐撞性和能量吸收性能展开了一系列的研究工作。在深刻理解变形模式与能量吸收之间关系的基础上,本文提出了多个性能优异的新型结构形式,并对这些新型结构的能量吸收性能进行了分析研究和优化设计。采用合理的理论分析模型、可靠的数值模拟技术和适当的优化设计方法是本文的主要研究手段。具体研究内容如下:1.基于圆管的自由翻转提出了一类新型的能量吸收装置—可收缩管(retractabletube)。这种新型结构可以克服两类传统圆管翻转的缺点,在不需要夹具或模具情况下能保持较长的有效压缩距离,具有良好的能量吸收性能。采用显式有限元技术对轴向压缩下可收缩管的翻转过程进行了数值模拟,并对其能量吸收特性进行了研究;通过与传统圆管的对比研究表明可收缩管的总体吸能效率显著高于相应的普通圆管,在实际工程中有着良好的应用前景;对两类可收缩管进行了参数化研究,分析了结构几何参数对能量吸收性能的影响;对多节可收缩管进行了算例分析,验证了多节可收缩管的可行性,并表明多节可收缩管可具有更好的能量吸收性能。(具体内容见第二章)2.提出了改善薄壁结构能量吸收性能的一种新方法—在结构中引入图案。从控制和改变轴向压缩下方管的变形模式着手,引入了两种图案类型:图案类型A着眼于引导方管发生延展性变形模式,图案类型B则旨在诱发吸收能量更多的新的变形模式。研究结果表明本文所引入的两类图案类型都达到了预期的作用,显著改善和提高了薄壁方管的能量吸收性能;通过采用不同的图案配置和不同的结构尺寸,分析了它们对两类图案的作用的影响;采用试验研究手段,对引入图案对薄壁结构的影响进行了定性分析。(具体内容见第三章)3.基于简化的超折叠单元理论,对轴向压缩下多胞方管的能量吸收进行了理论预测;通过将多胞管截面分为三个部分:角形部分、十字形部分和T形部分,分别考虑每个部分所耗散的能量,推导了多胞管的平均载荷预测公式;采用数值方法对铝合金多胞方管进行了动态轴向压缩模拟,通过对比分析表明本文的平均载荷理论预测结果与数值结果吻合良好。对一组具有相同质量和截面宽度而多胞形式不同的多胞方管进行了分析,研究了单胞的个数(尺寸)对多胞方管的能量吸收效率的影响;引入了一种预压初始缺陷,并发现这种初始缺陷能有效消除多胞管的初始峰值载荷。(具体内容见第四章)4.采用单一材料—铝作为结构材料条件下,对泡沫填充方管和多胞方管的能量吸收性能进行了对比研究。在轴向和横向加载条件下分别对不同截面尺寸的泡沫填充管和多胞管进行了数值模拟,这些用于对比的泡沫填充管和多胞管具有相同的质量:研究结果表明不论是在轴向还是横向加载条件下,多胞管的能量吸收效率均显著高于泡沫填充管。在变形模式基础上分析了轴向压缩下多胞管能量吸收性能高于泡沫填充管的原因;对截面尺寸发生变化时,泡沫填充管和多胞管在轴向和横向加载条件下的变形模式的变化进行了研究。(具体内容见第五章)5.基于泡沫填充双筒管优良的能量吸收特性,本文提出了一种新型双筒六边形多胞管。在给定外围尺寸和结构质量情况下,通过选用适当的设计变量,对轴向压缩下双筒管结构的能量吸收进行了优化设计。优化求解过程采用基于Chebyshev正交多项式的序列响应面优化方法进行,轴向压缩过程采用显式有限元软件LS-DYNA模拟;通过对比分析,对新型双筒管内部翼缘板对能量吸收效率的影响及响应面优化对结构能量吸收的提高进行了研究。(具体内容见第六章)本论文工作得到国家自然科学基金重点基金项目“超轻质结构设计新理论”(编号:10332010)、国家创新研究团队计划(编号:10421202)和国家重点基础研究发展计划“超轻多孔材料与结构创新构型设计优化新理论”(编号2006CB601205)的资助,在此一并表示感谢。