热塑性复合材料折纹管件耐撞性优化设计研究

基本信息
批准号:11802051
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:25.00
负责人:周才华
学科分类:
依托单位:大连理工大学
批准年份:2018
结题年份:2021
起止时间:2019-01-01 - 2021-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:毕祥军,明世朝,夏超翔,宋志博
关键词:
热塑性复合材料耐撞性折纹管结构优化缺陷
结项摘要

The installation of thin wall tubes in structures is an important method to reduce the damage from collision, however, current research of energy-absorption tubes is limited by the performance of traditional materials and geometry, the improvement of energy absorption rate is limited. This project is planning to use high-performance thermoplastic materials in the application of highly-efficient new origami crash box. By the analysis of multiple deformation modes and the impact of defects on these deformation modes at the macroscale, and the analysis of material failure mode at microscale, the energy absorption mechanism of origami crash box will be studied. Moreover, by using highly-precious numerical simulation, the correlation between material properties, material failure mechanism, and energy absorption rate will be established. Finally, by the development of highly-efficient optimization algorithm associated with multiscale/multi-physics and the anti-collision analysis of different optimization results that are of pre-existing defects, the optimal morphology of origami crash box will be achieved, which has both higher energy absorption rate and lower defect sensitivity. .The thermoplastic composite material is one of the most promising high-performance materials in the research field of anti-collision materials. The applicant has a well-established background in this field and had done a throughout literature review, showing that there was no application of thermoplastic composites for origami crash box design. The outcome of this project can advance the basic scientific study of optimizing the energy-absorption performance of origami crash box structures.

在结构中安装薄壁管件是减小碰撞伤害最为有效的方法之一,但目前吸能管研究局限于传统材料和几何形式,能量吸收效率提升空间受限。本项目提出将高性能热塑性复合材料应用于高效率新型折纹管中,并期望通过宏观尺度下的多类型典型变形模式分析与缺陷对变形模式影响研究,以及微观尺度下的材料失效行为分析,揭示管件的能量吸收机理;通过高精度数值计算建立材料和几何变量与能量吸收效率之间的映射关系,掌握宏微观变量及缺陷对能量吸收效率的影响规律;通过建立多尺度多模型协同高效优化算法,并在考虑缺陷的前提下对多组优化结果进行耐撞性分析,获得兼具高吸能效率与低缺陷敏感性的折纹管构型。.热塑性复合材料是耐撞性领域最具前景的高性能材料之一,而折纹管是近年兴起的高效吸能构型,申请人有较好的前期工作,文献显示尚无二者结合的研究,可以预期,本项目的相关研究成果有望促进折纹管的能量吸收优化应用基础研究。

项目摘要

在结构中安装薄壁管件是减小碰撞伤害最为有效的方法之一,但目前吸能管研究局限于传统材料和几何形式,能量吸收效率提升空间受限。本项目结合折纸工艺与先进复合材料对薄壁管件开展了耐撞性优化设计。项目首先提出了多种具有高吸能性能的折纸图案,并从宏微观多个尺度对折纸图案诱发的典型失效模式开展分析,揭示了复合材料管件能量吸收机理;然后,结合金属及复合材料的能量吸收特点及优势,提出了金属-复合材料混杂折纹管件构型,开展了大量的试验及数值分析,获得了金属变形引导下的复合材料理想失效模式;接下来,建立了高精度数值分析方法,开展多尺度变量与缺陷的敏感性分析,建立了与失效模式及能量吸收效率间的准确映射关系;最后,提出了具有相当精度的等效分析方法,大幅提升了耐撞性计算效率,实现了复合材料管件的耐撞性优化设计。本项目成果将为金属/复材折纹管件的耐撞性设计提供数据支撑、理论指导及设计依据,促进复合材料薄壁吸能管件的发展,及在航空航天、汽车、船舶等领域的推广应用。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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