金屬空心球泡沫沖擊特性與多目標(biāo)優(yōu)化.pdf

1、隨著國內(nèi)汽車千人保有量首次超過百輛，汽車產(chǎn)業(yè)已然成為我國的支柱產(chǎn)業(yè)，同時人們也越來越重視汽車的安全性能。金屬空心球(Metal Hollow Sphere，MHS)泡沫作為多胞材料的新型代表，擁有優(yōu)異的沖擊吸能特性和巨大的輕量化潛力，在汽車和軌道交通領(lǐng)域有著廣泛的工程應(yīng)用。本文基于有限元仿真方法研究了金屬空心球泡沫的沖擊吸能特性并對其進行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。
　　首先，進行了乒乓球陣列三維壓縮實驗，探討了多胞材料的壓縮特性，同時運用

2、LS-DYNA進行了有限元仿真分析，并對有限元建模方法進行了驗證。通過有限元仿真，分析了沖擊速度和致密化點對金屬空心球均質(zhì)泡沫沖擊吸能性能的影響。結(jié)果顯示:沖擊速度越高，波效應(yīng)越明顯，致密化點會急劇增加其遠端名義應(yīng)力。據(jù)此，提出了金屬空心球泡沫抗沖擊性能的兩個評價指標(biāo)，即比吸能和遠端名義應(yīng)力。
　　其次，基于有限元模型研究了MHS梯度泡沫的沖擊特性，對比分析了不同沖擊速度下正梯度和負(fù)梯度MHS泡沫的變形模式，發(fā)現(xiàn)了金屬空心球梯度泡

3、沫的變形模式是由最弱層梯度與沖擊速度共同決定的。探討了梯度全排列次序和梯度數(shù)量對金屬空心球梯度泡沫的性能影響，結(jié)果表明:在沖擊波效應(yīng)不明顯時，梯度排列次序和梯度數(shù)量對金屬空心球泡沫抗沖擊性能影響有限，其抗沖擊性能與金屬空心球均質(zhì)泡沫接近;在波效應(yīng)明顯的沖擊速度下，梯度數(shù)多且呈負(fù)梯度排列的金屬空心球泡沫抗沖擊性能最優(yōu)。
　　再次，針對金屬空心球泡沫的晶胞點陣結(jié)構(gòu)進行了探討研究。分別對具有簡單立方、體心立方、面心立方、體心四方、密堆六

4、方和三斜排布六種空間點陣結(jié)構(gòu)的金屬空心球泡沫的沖擊性能進行了有限元仿真。結(jié)果表明:以結(jié)構(gòu)比吸能為評價指標(biāo)時，面心立方金屬空心球泡沫沖擊吸能性能最優(yōu)。
　　然后，針對面心立方金屬空心球負(fù)梯度泡沫進行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。建立了基于碰撞吸能特性的MHS泡沫沖擊特性優(yōu)化模型，采用徑向基函數(shù)建立了響應(yīng)面代理模型，并通過先進的遺傳算法NSGA-Ⅱ進行優(yōu)化求解，得出Pareto最優(yōu)解集。結(jié)果表明:近端梯度大且靠近近端的梯度差小的設(shè)計，金屬空心球泡