易制备多胞金属薄壁结构吸能特性研究

Light weight multi-cell thin-walled metallic structures possess excellent mechanical and energy absorption properties, but the relatively high manufacturing costs restrict the wide applications of them in the field of structural safety protection. This project aims to investigate the energy absorption characteristics of a type of low-cost and easily prepared multi-cell thin-walled structures. Experimental study, numerical simulation, theoretical analysis and optimization design will be employed to study the influence of new fabrication methods on collapse mode, deformation mechanism and energy absorption performance of multi-cell structures under axial and transverse loads. The influences of primary structural, material and fabrication parameters on crashworthiness indices will be investigated. Theoretical models will be established for the axial crush resistance of basic constituent elements in multi-cell structures of this type and design optimization of multi-cell structures with variable thickness will be performed. The project is expected to disclose deformation features and energy absorption mechanisms of easily prepared multi-cell thin-walled structures under various load conditions, to establish analytical methods for axial crush resistance of them, and to obtain the principles of optimization of relevant structures. The research results of the project will sever as theoretical basis for the crashworthiness design of easily prepared multi-cell thin-walled metallic structures and provide technical supports for the wider engineering applications of them.

轻质多胞金属薄壁结构具有良好的力学和能量吸收性能，然而由于制备成本相对较高限制了其在工程结构安全防护领域更为广泛的应用。本项目针对一类低成本、易制备多胞金属薄壁结构的吸能特性进行研究，采用实验研究、数值模拟、理论分析和优化设计相结合的研究方法，探讨新的制备方式对轴向与横向加载条件下多胞薄壁结构的变形模式、塑性变形机理和能量吸收性能的影响，分析主要结构、材料和制备工艺参数对多胞薄壁结构耐撞性指标的影响，建立易制备多胞薄壁结构中常见基本单元轴压阻抗的理论预测方法，开展变厚度多胞结构性能的最优化设计。项目预期将揭示不同载荷条件下易制备多胞薄壁结构的变形特征和能量吸收机理，建立其轴向压缩阻抗的理论分析方法，获得相关结构的最优化设计规律。项目的研究成果将为易制备多胞金属薄壁结构的耐撞性设计提供理论依据，并为其更广泛的工程应用提供技术支撑。

易制备多胞金属薄壁结构具有成本低、截面形式和尺寸灵活性强等优点，作为能量吸收构件有望在工程结构安全防护领域得到广泛的应用。本项目采用实验研究、数值模拟、理论分析和优化设计相结合的研究方法，对轴向和横向加载条件下，折弯、粘接和嵌套多胞薄壁结构的能量吸收性能和机理进行了研究，分析了主要结构几何、材料和制备工艺参数对多胞薄壁结构吸能指标的影响，并对相关结构进行了耐撞性优化设计。除多胞金属薄壁结构外，对不同材料组成的复合多胞结构的吸能特性和耦合增强效应也进行了研究，包括：碳纤维增强复合材料（CFRP）/金属混杂粘结薄壁结构和3D打印尼龙/金属混杂嵌套结构。在理论研究方面，给出了轴向加载条件下折弯薄壁结构和嵌套薄壁结构的压缩阻抗理论预测公式；建立了横向压缩和弯曲条件下，单胞和多胞金属薄壁梁的弯曲响应理论预测模型；获得了静动态球加载条件下，多胞（孔）材料受压变形的力学响应预测方法。基于实验和数值方法，明确了各种因素对不同类型易制备多胞薄壁结构能量吸收行为和性能的影响。采用代理优化方法，获得了横向压溃条件下多胞金属薄壁结构和三点弯曲条件下CFRP/金属粘结混杂结构的最优化设计规律。项目的研究成果将为易制备多胞薄壁结构的耐撞性设计提供理论依据，并为其更广泛的工程应用提供技术支撑。