多角度冲击工况下铝/CFRP复合管诱导槽多目标优化设计

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.019

摘要/Abstract

摘要：

角度冲击在车辆事故中较为常见，具有合理诱导结构的吸能装置对综合耐撞性能的发挥至关重要。本文研究了基于铝/CFRP复合管诱导结构的设计问题。为此，首先建立铝/CFRP复合管的高精度有限元模型，并进行试验验证。然后，基于多角度压缩工况，分别研究了诱导槽的位置参数、数量参数、形状参数以及尺寸参数对铝/CFRP复合管耐撞性能的影响规律。结果表明：诱导槽的位置参数对于综合耐撞性能影响最大，在复合管靠近顶端的位置处开设一个矩形诱导槽，可以大幅降低峰值力水平，同时兼顾吸能稳定性。最后，基于第二代非劣解排序遗传算法（NSGA-II）开展了复合管诱导槽的多目标优化设计。优化结果表明：在保证各工况权重方案的综合吸能性不降低的前提下，复合管的峰值力降低了35.5%，很好地解决了高吸能性与低峰值力难以兼顾的问题。该研究结果对于车辆碰撞吸能部件的设计应用具有重要的指导意义。

关键词: 诱导槽, 铝合金/CFRP复合管, 多角度冲击, 综合耐撞性

Abstract:

Oblique impact is common in vehicle accidents， and a reasonable inductive structure of energy absorbing components is crucial for comprehensive crashworthiness. In this paper， the design method of inductive structure based on aluminum/CFRP hybrid tube is studied. Firstly， a high-precision finite element model of aluminum/CFRP hybrid tube is established， which is verified by experiments. Then， based on the multi-angle compression conditions， the effect of the location parameter， number parameter， shape parameter and size parameter of the induction groove on the crashworthiness of aluminum/CFRP hybrid tube is studied respectively. The results show that the location parameter has the greatest influence on the comprehensive crashworthiness. Setting a rectangular induction groove in the upper part of the hybrid tube can largely reduce the peak force and enhance the energy absorption stability. Finally， based on the NSGA-II algorithm， the multi-objective optimization design of the induction groove is carried out. The optimization results show that the peak force of the hybrid tude is reduced by 35.5% on the premise of ensuring the comprehensive energy absorption under different weight schemes， effectively solving the problem of balancing high energy absorption and low peak crushing force. The research results provide important guidance in the design and application of energy absorbing components.

Key words: induction groove, aluminum/CFRP hybrid tube, multi-angle impact, comprehensive crashworthiness

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图/表 31

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参考文献 28

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方案	0°	10°	20°	30°
case1	0.1	0.2	0.3	0.4
case2	0.25	0.25	0.25	0.25
case3	0.4	0.3	0.2	0.1

属性	拉伸		压缩		剪切
属性	轴向	径向	轴向	径向	剪切
密度/（g·cm^-3）	1.6
弹性模量/GPa	154	8.65	144	10.3	4.68
抗拉强度/MPa	2 356	34	1 119	186	64.78
泊松比	0.35	0.03	0.288

性能指标	试验值	仿真值	误差
PCF/kN	61.09	65.02	6.40%
E_total/kJ	3.84	3.61	-5.99%
F_mean/kN	34.94	32.8	-6.54%

性能指标	上50%位置	整体高度	下50%位置
PCF/kN	110.55	113.48	114.19
SEA_case1/（kJ·kg^-1）	13.13	7.97	6.41
SEA_case2/（kJ·kg^-1）	13.99	8.23	7.62
SEA_case3/（kJ·kg^-1）	14.84	8.50	8.85

性能指标	1个	2个	3个
PCF/kN	105.95	110.55	101.97
SEA_case1/（kJ·kg^-1）	14.62	13.13	12.74
SEA_case2/（kJ·kg^-1）	15.51	13.99	14.06
SEA_case3/（kJ·kg^-1）	16.40	14.84	15.39