混合梯度负泊松比结构多工况耐撞性研究

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.210696

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2022, Vol. 50 ›› Issue (7): 85-97.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.210696

混合梯度负泊松比结构多工况耐撞性研究

马芳武¹ 王强¹ 马文婷^2,³ 梁鸿宇¹ 蒲永锋¹

^1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林长春 130025
^2.中国第一汽车股份有限公司研发总院，吉林长春 130013
^3.汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，吉林长春 130011

收稿日期:2021-11-02 出版日期:2022-07-25 发布日期:2022-02-11
通信作者: 马芳武（1960-），男，教授，博士生导师，主要从事生态出行、智能网联驾驶等研究。 E-mail:mikema@jlu.edu.cn
作者简介:马芳武（1960-），男，教授，博士生导师，主要从事生态出行、智能网联驾驶等研究。
基金资助:
吉林省产业技术研究与开发专项(2019C041-2);吉林大学研究生创新研究计划项目(101832020CX132)

Study on Crashworthiness of Hybrid Gradient Negative Poisson’s Ratio Structure Under Multi-conditions

MA Fangwu¹ WANG Qiang¹ MA Wenting^2,³ LIANG Hongyu¹ PU Yongfeng¹

^1.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University，Changchun 130025，Jilin，China
^2.China FAW Group Co. ，Ltd. ，Changchun 130013，Jilin，China
^3.State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and Noise & Safety Control，Changchun 130011，Jilin，China

Received:2021-11-02 Online:2022-07-25 Published:2022-02-11
Contact: 马芳武（1960-），男，教授，博士生导师，主要从事生态出行、智能网联驾驶等研究。 E-mail:mikema@jlu.edu.cn
About author:马芳武（1960-），男，教授，博士生导师，主要从事生态出行、智能网联驾驶等研究。
Supported by:
the Industrial Technology Research and Development Special Project of Jilin Province(2019C041-2)

摘要/Abstract

摘要：

为满足车辆实际碰撞要求，提高汽车吸能部件的耐撞性，本文基于仿生原理提出了混合梯度负泊松比结构，建立了有限元模型，同时制作试验样件进行轴向压缩试验，验证了有限元模型的准确性。并利用LS-DYNA在不同冲击角度和冲击速度工况下对9种不同排布方式的混合梯度结构进行仿真模拟。综合耐撞性指标对比结果表明：多工况冲击条件下的最优排布方式为横向负梯度和纵向正梯度的组合，相比于均匀梯度结构，其综合吸能量提高了19.2%，吸能稳定性提高了30.6%，改进效果明显。通过对具有不同排布方式的混合梯度结构的变形模式进行对比分析发现：单一的横向梯度可以提高结构的吸能稳定性，而单一的纵向梯度则可以提高结构的综合吸能性能，最优的混合梯度结构由于合理的材料分布，兼顾了综合吸能性和吸能稳定性，从内在机制上解释了最优排布方式综合性能优异的原因，有利于混合梯度负泊松比结构的工程化。

关键词: 汽车碰撞, 吸能, 功能梯度, 多工况, 负泊松比

Abstract:

In order to meet the requirements of actual vehicles collision and improve the crashworthiness of vehicle energy absorbing components, this paper proposed a hybrid gradient negative Poisson’s ratio structure based on the bionic principle, and established a finite element model. At the same time, the test sample was made for axial compression test to verify the accuracy of the finite element model. Using LS-DYNA, the mixed gradient structures with nine different arrangement modes were simulated under different impact angles and impact speeds. The comparison results of comprehensive crashworthiness indexes show that the optimal arrangement mode under multiple working conditions is the combination of transverse negative gradient and longitudinal positive gradient. Compared with the uniform gradient structure, its comprehensive energy absorption is increased by 19.2%, energy absorption stability is improved by 30.6%, and the improvement is obvious. Through the comparative analysis of the deformation modes of hybrid gradient structures with different arrangement modes, it finds that a single transverse gradient can improve the energy absorption stability of the structure, while a single longitudinal gradient can improve the comprehensive energy absorption performance of the structure. Because of the reasonable material distribution, the optimal hybrid gradient structure takes into account the comprehensive energy absorption and energy absorption stability and explains the reason of the excellent comprehensive performance of the optimal arrangement from the internal mechanism, which is conducive to the engineering of the mixed gradient negative Poisson’s ratio structure.

Key words: vehicle collision, energy absorption, function gradient, multiple working conditions, negative Poisson’s ratio

中图分类号:

U465.9

马芳武, 王强, 马文婷, 等. 混合梯度负泊松比结构多工况耐撞性研究[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2022, 50(7): 85-97.

MA Fangwu, WANG Qiang, MA Wenting, et al. Study on Crashworthiness of Hybrid Gradient Negative Poisson’s Ratio Structure Under Multi-conditions[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2022, 50(7): 85-97.

图/表 23

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参考文献 17

1	任鑫，张相玉，谢亿民．负泊松比材料和结构的研究进展［J］．力学学报，2019，51（3）：656-687.
	REN Xin， ZHANG Xiangyu， XIE Yimin ．Research progress in auxetic materials and structures ［J］．Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics，2019，51（3）：656-687.
2	杨智春，邓庆田．负泊松比材料与结构的力学性能研究及应用［J］．力学进展，2011，41（3）：335-350.
	YANG Zhichun， DENG Qingtian. Mechanical property and application of materials and structures with negative Poisson’s ratio［J］．Advances in Mechanics，2011，41（3）：35-350.
3	LI D， YIN J H， DONG L，et al ．Strong re-entrant cellular structures with negative Poisson’s ratio［J］．Journal of Materials Science，2018，53（5）：3493-3499.
4	WANG Y L， ZHAO W Z， ZHOU G，et al ．Parametric design strategy of a novel cylindrical negative Poisson’s ratio jounce bumper for ideal uniaxial compression load-displacement curve［J］．Science China-Technological Sciences，2018，61（10）：1611-1620.
5	QIAO J X， CHEN C Q ．Analyses on the in-plane impact resistance of auxetic double arrowhead honeycombs［J］．Journal of Applied Mechanics，2015，82（5）：051007/1-9.
6	QIAO J X， CHEN C Q. Impact resistance of uniform and functionally graded auxetic double arrowhead honeycombs ［J］．International Journal of Impact Engineering，2015，83（9）：47-58.
7	WANG H， LU Z X， YANG Z Y，et al ．In-plane dynamic crushing behaviors of a novel auxetic honeycomb with two plateau stress regions［J］．International Journal of Mechanical Sciences，2019，151（2）：746-759.
8	卢子兴，武文博．基于旋转三角形模型的负泊松比蜂窝材料面内动态压溃行为数值模拟［J］．兵工学报，2018，39（1）：153-160.
	LU Zixing， WU Wenbo ．Numerical simulations for the in-plane dynamic crushing of honeycomb material with negative Poisson’s ratio based on rotating triangle model ［J］．Acta Armamentarii，2018，39（1）：153-160.
9	XIAO D B， DONG Z C， LI Y，et al ．Compression behavior of the graded metallic auxetic reentrant honeycomb： experiment and finite element analysis［J］．Materials Science & Engineering A，2019，758（6）：163-171.
10	WU X， SU Y T， SHI J ．In-plane impact resistance enhancement with a graded cell-wall angle design for auxetic metamaterials［J］．Composite Structures，2020，247（9），112451/1-12.
11	尹冠生，姚兆楠．梯度负泊松比蜂窝材料的冲击动力学性能分析［J］．动力学与控制学报，2017，15（1）：52-58.
	YI Guansheng， YAO Zhaonan ．Dynamic crushing performance of graded auxetic honeycombs with negative Poisson’s ratio［J］．Journal of Dynamics and Control， 2017，15（1）：52-58.
12	姚兆楠. 负泊松比蜂窝材料和功能梯度蜂窝材料的冲击动力学性能研究［D］．西安：长安大学，2015.
13	高强，王良模，王源隆，等.椭圆形泡沫填充薄壁管斜向冲击吸能特性仿真研究［J］．振动与冲击，2017，36（2）：201-206， 220.
	GAO Qiang， WANG Liangmo， WANG Yuanlong，et al ．Energy-absorbing characteristics of foam-filled oval tubes under oblique impact［J］．Journal of Vibration and Shock，2017，36（2）：201-206，220.
14	张维刚，黄栋．汽车薄壁梁斜向碰撞性能仿真研究［J］．汽车工程，2010，32（6）：515-518，529.
	ZHANG Weigang， HUANG Dong ．Simulation study on the crashworthiness of thin-walled beam in vehicle oblique impact［J］．Automotive Engineering，2010，32（6）：515-518，529.
15	MA F W， LIANG H Y， PU Y F，et al ．Multi-objective optimization of crash box filled with three-dimensional cellular structure under multi-angle impact loading［J］．Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part D：Journal of Automobile Engineering，2021，235（9）：2397-2412.
16	李艳. 仿生吸能盒结构设计与多目标优化研究［D］．南京：南京航空航天大学，2019.
17	MA F W， LIANG H Y， PU Y F， et al ．Crashworthiness analysis and multi-objective optimization for honeycomb structures under oblique impact loading［J］．International Journal of Crashworthiness，2021（9）：10.1080/13588265.2021.1909861.

速度/（m·s^-1）	排布方式	A_E/J				A_E_θ /J	标准差
速度/（m·s^-1）	排布方式	0°	10°	20°	30°	A_E_θ /J	标准差
10	P-P	66.669	62.704	44.371	35.429	52.29	0.492 1
	P-U	43.813	43.025	32.397	28.068	36.83	0.367 9
	P-N	72.756	60.699	43.860	32.865	52.55	0.582 8
	U-P	51.829	61.725	48.308	35.443	49.33	0.381 3
	U-U	60.852	53.185	31.383	26.706	43.03	0.666 6
	U-N	81.935	57.562	28.151	27.427	48.77	0.930 2
	N-P	56.366	68.196	42.390	38.168	51.28	0.462 7
	N-U	43.737	42.266	33.936	32.004	37.99	0.267 9
	N-N	67.073	54.597	32.249	23.149	44.27	0.788 1
50	P-P	161.11	120.03	157.14	110.93	137.30	0.322 0
	P-U	168.54	121.64	133.83	111.68	133.92	0.320 6
	P-N	128.03	130.61	110.18	96.16	116.25	0.241 1
	U-P	132.09	115.84	136.32	114.64	124.72	0.154 1
	U-U	150.26	101.06	116.32	92.12	114.94	0.385 5
	U-N	141.09	131.17	121.35	106.17	124.95	0.206 4
	N-P	187.98	163.57	154.85	106.43	153.21	0.386 6
	N-U	162.12	101.38	116.55	90.683	117.68	0.463 1
	N-N	126.92	126.81	96.70	88.867	109.82	0.314 4
100	P-P	340.02	270.01	274.11	255.78	284.98	0.228 1
	P-U	278.8	269.24	234.73	244.54	256.83	0.139 1
	P-N	322.51	245.82	238.3	217.63	256.07	0.310 3
	U-P	272.42	251.99	290.93	276.90	273.06	0.102 2
	U-U	337.97	262.20	255.41	250.14	276.43	0.258 9
	U-N	306.19	306.84	260.88	230.15	276.02	0.234 6
	N-P	347.52	281.89	309.42	281.94	305.19	0.176 2
	N-U	284.61	244.07	255.84	263.56	262.02	0.112 8
	N-N	333.74	277.35	243.93	216.45	267.87	0.326 4

[1]	亓昌, 丁晨, 刘海涛, 等. 弧形双箭头蜂窝面内压缩性能试验与仿真[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(1): 61-68.
[2]	曹蕾蕾, 郭城臣, 王严, 等. 基于实测数据的挖掘机工作装置疲劳寿命评估[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2021, 49(8): 122-128,139.
[3]	刘旺玉, 田鹏飞, 金林, 等. 角单元对薄壁管耐撞性的影响[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2021, 49(6): 28-33,39.
[4]	宋旭明, 潘鹏宇, 荣亚威, 等. 基于碰撞仿真的新型装配式护栏防护性能[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2021, 49(10): 41-49.
[5]	唐亮, 郑佳佳, 李文熙, 等. 人体腰椎生物力学模型及损伤参数敏感性分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2020, 48(9): 94-106.
[6]	杨姝, 江峰, 丁宏飞, 等. 手性蜂窝夹芯概念发动机罩行人头部保护性能仿真 [J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2019, 47(12): 38-42,61.
[7]	王安麟唐姜炜张小路. 面向多路阀结构拓扑设计的多工况综合性能评价[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2018, 46(9): 9-16.
[8]	孙光永张敬涛李世强李光耀. 爆炸载荷下层级蜂窝铝夹芯板的动力响应分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2017, 45(5): 141-146.
[9]	黄怀纬饶东海. 功能梯度椭圆柱壳的热力耦合屈曲分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2017, 45(5): 129-134.
[10]	白中浩何成朱峰. 复合材料三明治结构板的电磁和冲击性能分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2016, 44(9): 137-143.
[11]	黄怀纬张永强韩强. 静水压荷载下功能梯度圆环的弹性屈曲[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2016, 44(10): 65-69.
[12]	孟广伟李霄琳周立明李锋王晖. 基于MEMsFEM 的功能梯度压电板力电耦合分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2016, 44(10): 81-86.
[13]	蒋正文沈孔健万水. 基于分层线性离散模型的 FGM 板断裂力学分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2014, 42(4): 77-84,90.
[14]	黄怀纬韩强魏德敏. 轴压-弯曲联合荷载下功能梯度材料圆柱壳的屈曲[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2012, 40(4): 158-161.
[15]	黄怀纬韩强冯能文樊学军. 温度梯度下功能梯度材料圆柱壳的热屈曲[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2009, 37(6): 101-106.

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Study on Crashworthiness of Hybrid Gradient Negative Poisson’s Ratio Structure Under Multi-conditions

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