基于纳米表面技术的能量吸收结构研究与优化设计

With the progress of science and technology, such as the technology of surface self-nanocrystallization, developments of new subjects are promoted rapidly and new ideas and new design concepts are noticed evidently. On the background, this foundation project is presented. The research of the energy absorption of elastic-plastic cylindrical shells is considered as a breakthrough based on the technology of surface self-nanocrystallization. Then, others classical shells will be discussed. The research contents include: Analyze the impact of nanotechnology on the mechanical behavior of materials and the relationship between yield stress and buckling of structures; Reveal characteristics of the path on structural buckling and final buckling mode for nanotechnology local processing and distribution and the inducing rules of post-buckling modes of shells aid of nanotechnology; Exhibit the energy absorption and residual plastic strain for various buckling path and the final buckling mode of the structures; The absorbed energy is as the objective function, the cylindrical shell part nanotechnology treatment area and shape, material constants and geometrical parameters are as design variables, the boundary conditions and the intensity of structures are as constraints and the optimization design of energy absorption for structural buckling so that the overall or the local optimal solutions are obtained; Present a new design principle of energy absorption structures aid the technology of surface self-nanocrystallization. By the research, the study ideas are updated tentatively, a new way is explored for the design of absorbing device and the development of crossed subjects is promoted.

随着纳米表面技术等高科技的进步，促进了新学科方向的迅速发展，新的观念和新的设计理念倍受关注。本基金正是在此背景下展开研究和探讨。研究工作以经纳米表面技术处理的弹塑性圆柱壳结构吸能问题作为突破口，然后向其它经典壳体拓延。研究内容包括：纳米技术对材料的力学行为的影响以及材料屈服应力与结构屈曲的关系；纳米技术局部处理和分布对结构屈曲路径和最后屈曲模态的特征，揭示纳米材料对壳体后屈曲模态的诱导规律；各种屈曲路径和最后屈曲模态所吸收能量的规律及残余塑性应变的特点；以所吸收的能量为目标函数，以圆柱壳局部纳米技术处理的区域和形状以及材料常数与几何参数为设计变量，以边界和强度等为约束条件对结构屈曲吸能问题优化设计，获得整体最优解或局部最优解等；提出一种新的基于纳米表面技术的能量吸收结构设计原理。通过研究，试图从研究思路上有所突破，并为探讨和能量吸收装置的设计探索一条新的途径。推动该学科方向的交叉和发展。

本基金项目以汽车和城市轨道列车安全问题为研究背景，以一种新型能量吸收结构和装置的设计原理为研究对象。利用先进的表面纳米化技术，采用试验和数值仿真的方法，优化设计新型局部表面纳米化分布薄壁结构吸能装置和系统。使得从吸能装置设计原理上突破和创新，进而提供该类纳米化吸能系统的制造方案和技术。研究内容包括：纳米技术对材料的力学行为的影响以及材料屈服应力与结构屈曲的关系；纳米技术局部处理和分布对结构屈曲路径和最后屈曲模态的特征，揭示纳米材料对薄壁结构后屈曲模态的诱导规律；各种屈曲路径和最后屈曲模态所吸收能量的规律及残余塑性应变的特点；以所吸收的能量为目标函数，以薄壁结构局部纳米技术处理的区域和形状以及材料常数与几何参数为设计变量，以边界和强度等为约束条件对结构屈曲吸能问题优化设计，获得整体最优解或局部最优解等；提出一种新的基于纳米表面技术的能量吸收结构设计原理。主要研究结果包括：通过试验获得的表面纳米化金属材料力学性能表明，主要性能均有提高，特别是屈服应力可提高到4倍以上；对于圆柱形薄壁结构，矩形片状纳米化区域分布时，其屈曲为最佳屈曲模式，该模式整个屈曲过程比较稳定；对于正方形截面薄壁结构，环向局部表面纳米化条带反对称式布局形式最合理，其屈曲模态呈现渐进稳定紧凑叠层屈曲过程，且比吸能提高很大；在正六边形截面薄壁结构局部纳米化布局设计中，环向反对称式纳米化条带布局在一定程度上可达到事先预设的屈曲模式，达到最佳吸能效果并可降低最大冲击力；局部纳米化程度的选取可以实现诱导首先发生屈曲的位置；优化设计表面纳米化薄壁结构的尺寸可进一步提高比吸能。研究工作建立一套控制吸能结构屈曲模态的科学方法和技术，提出一种新型能量吸收结构和装置的设计原理。这种设计改变了传统的方式，从研究思路上和设计原理取得了突破和创新，探索一条新的途径。研究方法可推动该学科方向的交叉和发展，也可推广到其它学科和领域。