畢業(yè)開題報告：新型輕質(zhì)泡沫材料在耐撞吸能性分析

大學學士論文開題報告
專業(yè)班級：車輛工程
論文題目: 新型輕質(zhì)泡沫材料在
耐撞吸能性分析

一、學位論文研究內(nèi)容
論文題目 新型輕質(zhì)泡沫材料在耐撞吸能性分析

學位論文摘要

泡沫填充薄壁結構能有效的改善汽車薄壁吸能部件的耐撞性。為了設計更輕與更有效的吸能結構，并滿足汽車的安全性設計要求，提出一種新穎的輕質(zhì)鋁泡沫填充雙管薄壁結構，并對其耐撞性展開確定性最優(yōu)化設計. 但是，由于薄壁結構的厚度、屈服應力以及鋁泡沫的密度等設計參數(shù)易受到仿真以及制造誤差等不確定性因素的影響，導致確定性最優(yōu)解收斂于約束邊界，從而丟失了應有的使用可靠性要求。因此，提出基于Kriging近似模型與一階可靠性分析方法的鋁泡沫填充結構的可靠性最優(yōu)設計方法，并進一步開展了基于設計參數(shù)不確定性的鋁泡沫填充結構的耐撞性可靠性優(yōu)化設計研究。優(yōu)化結果顯示，可靠性最優(yōu)解不僅遠離了約束邊界，而且較好的滿足了鋁泡沫填充結構的安全性與可靠性設計要求。
關鍵詞：可靠性優(yōu)化；鋁泡沫；薄壁結構；近似模型；

Abstract: Foam fi
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ity design optimization with parameters uncertainties of aluminum foam filled structures is performed. The optimal results show that the reliability optimal solutions not only are far from the constraint boundaries, but also better meet the safety and reliability of aluminum foam filled structure design demand.
Key words: Reliability optimization；Aluminum foam；Thin-walled structures；Appro*imate model；


二、學位論文研究依據(jù)
鋁泡沫不僅具有力學性能好、價格低廉等優(yōu)點，而且相對傳統(tǒng)鋼結構而言，鋁泡沫結構能降低總重量的30%，從而較好的提高汽車的燃油消耗率和降低碳氧化合物的排放。因此，它作為一種可再生循環(huán)利用的材料在汽車結構設計中得到了廣泛的關注[。
目前，安全性設計已成為現(xiàn)代汽車工業(yè)領域的研究熱點，因此，汽車主要結構吸能部件（薄壁縱梁與碰撞吸能盒）等的耐撞性設計就顯得尤為重要，將輕質(zhì)泡沫鋁填充到薄壁縱梁以及碰撞吸能盒等薄壁結構中，不僅沒有增加太多的重量，而且能形成一種更好的吸能結構，當汽車發(fā)生高速碰撞時，吸能結構發(fā)生較大的塑性變形，從而吸收了約70%的碰撞動能[3]，從而減少了傳遞到車內(nèi)乘員的碰撞能量與碰撞力，以此減輕車內(nèi)乘員的傷害程度。因此，薄壁結構的吸能特性將直接決定了車體的安全性，綜上可知，研究泡沫填充薄壁結構的吸能特性具有非常重要的工業(yè)應用價值。
近年來，泡沫填充結構的吸能特性已經(jīng)引起了國內(nèi)外研究人員的關注，Hanssen，Reyes、Santosa、Wierzbicki等人開展了泡沫鋁填充結構準靜態(tài)和動態(tài)實驗研究，桂良進、王青春、郭劉偉等[10-13]人研究了泡沫鋁填充方形與圓形結構的軸向壓縮吸能特性的實驗研究。前述研究仍主要集中于準靜態(tài)的實驗與仿真的對比研究，然而，泡沫填充結構的高速沖擊動態(tài)吸能特性卻對汽車的安全性設計具有非常重要的作用。同時，它的吸能特性與薄壁結構的厚度、屈服強度以及泡沫的密度等參數(shù)息息相關，而實驗研究往往不能得到泡沫填充薄壁結構各個設計參數(shù)的最優(yōu)匹配，從而失去其最優(yōu)吸能特性，因此，針對泡沫填充結構的確定性最優(yōu)吸能設計具有重要的現(xiàn)實意義。此外，由于薄壁結構的工作環(huán)境較為惡劣，各類設計參數(shù)容易受到載荷，邊界條件以及加工制造與仿真誤差等不確定因素的影響，一旦確定性最優(yōu)解收斂于約束邊界，確定性最優(yōu)解將可能受到參數(shù)不確定性的影響[14]，從而陷入設計約束不可行的區(qū)域，導致薄壁填充吸能結構設計不可靠。
國內(nèi)外開展泡沫填充結構的在高速沖擊工況下的確定性與可靠性設計優(yōu)化的相關文獻仍鮮有見到。因此，本文首先開展泡沫填充薄壁結構的確定性優(yōu)化，以此探測設計參數(shù)的最優(yōu)匹配，同時，充分考慮設計參數(shù)不確定性因數(shù)的影響，結合kriging近似模型與一階可靠性分析方法，進一步開展泡沫填充結構的可靠性設計優(yōu)化研究，優(yōu)化結果不僅較好的改善了薄壁填充結構的耐撞吸能特性，而且使泡沫填充薄壁結構具有較高的使用可靠性，從而較好的滿足工程應用的需求，也為汽車吸能結構的設計提供一種新的思路。
泡沫填充薄壁結構的碰撞過程是幾何非線性與材料非線性的動態(tài)大塑性變形過程，數(shù)值分析過程具有相當?shù)膹碗s性，優(yōu)化設計過程設計目標與設計約束等設計響應的獲取都需要耗費大量的計算。因此，合理構建各個設計響應的近似數(shù)值模型成為優(yōu)化設計是否可行的關鍵，然而，傳統(tǒng)多項式近似技術對于最大碰撞力（Fma*）這類非線性程度高的設計約束難于獲取較好的近似結果，因此，文中結合基于插值方法的kriging近似技術與小種群遺傳算法[19]對泡沫填充結構尋優(yōu)確定性優(yōu)化設計中近似模型的精度對其優(yōu)化結果具有關鍵的作用，并且，由于kriging是采用插值原理構建近似模型，因此，隨機測試點需要用于檢驗其構建的近似模型精度，表1給出了在5個隨機測試點的設計約束與目標的有限元分析值與近似模型計算值。

主要參考文獻：
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