Достижения в области автомобилестроения
Открытый доступ

Абстрактный

Эффективный метод оптимизации топологии для обеспечения ударопрочности тонкостенных конструкций с использованием эквивалентных линейных статических нагрузок

Чун Рен, Хайтао Мин, Тяньфэй Ма1 и Фанцюань Ван

Метод эквивалентных статических нагрузок для нелинейной динамической реакции структурной оптимизации может быть неэффективным в условиях больших деформаций при столкновении из-за оптимизации топологии с эквивалентными статическими нагрузками, выходящими в основном за пределы линейного диапазона и вызывающими численные дефекты, такие как высокая податливость элементов. Для преодоления вышеуказанного недостатка предлагается усовершенствованный метод оптимизации структурной топологии для ударопрочности с учетом большой деформации, уменьшенной при столкновении, и пластического выпучивания с использованием новых определенных эквивалентных линейных статических нагрузок. Эквивалентные линейные статические нагрузки могут адаптивно масштабироваться, чтобы гарантировать, что оптимизация топологии выполняется в линейном диапазоне. На каждом цикле выполняется моделирование столкновения, и нелинейный вектор смещения узлов на временном шаге с максимальной энергией деформации масштабируется с помощью адаптивного коэффициента масштабирования смещения. Эквивалентные линейные статические нагрузки, которые генерируются путем умножения матрицы линейной жесткости и масштабированного вектора смещения узлов, будут включены в оптимизацию топологии, что может гарантировать, что оптимизация топологии останется в линейном диапазоне и дополнительно решит проблемы численной нестабильности. Процесс повторяется до тех пор, пока не будут удовлетворены критерии сходимости. Эффективность предлагаемого метода оценивается путем решения задачи оптимизации топологии ударопрочности краш-бокса с учетом пластического изгиба, вызванного столкновением, для определения местоположения и профиля триггеров столкновения. Результаты показывают, что предлагаемый метод может эффективно решать задачу оптимизации топологии ударопрочности с большой деформацией тонкостенных конструкций и обеспечивает осуществимую стратегию для проектирования триггеров столкновения в краш-боксе. С непрерывным ростом числа владельцев автомобилей энергосбережение и безопасность стали основными проблемами для разработки автомобилей. Технология облегчения транспортных средств и проектирование структурной ударопрочности стали важными техническими средствами для решения этих проблем. Благодаря своему малому весу, низкой стоимости и способности эффективно рассеивать большое количество кинетической энергии удара во время столкновения тонкостенные конструкции широко использовались в энергопоглощающей структуре автомобильных буферных систем для поглощения энергии столкновения и повышения безопасности транспортного средства.1,2 Важной особенностью этих структур является ударопрочность, поглощающая энергию посредством пластической деформации при столкновении.
условия.2,3 Помимо ударопрочности, важны также экономичность, экологичность и ремонтопригодность. Материал, размер и форма поперечного сечения конструкции являются важными факторами, влияющими на ударопрочность конструкций.4 Изучается влияние заполняющих материалов на ударопрочность различных заполненных пеной труб с различным поперечным сечением, таких как круглые трубы,5,6 квадратные трубы,7–10 одно- и двухтрубчатые многоугольные трубы,11 конические трубы,12–14 многоячеистые трубы,15 гофрированные трубы,16,17 эллиптические трубы,18,19 двухшляпные трубы,20 звездообразные многоугольные трубы21 и т. д. Кроме того, для снижения веса при сохранении механических свойств исходной трубы в тонкостенные конструкции вводятся узорчатые окна22–24 и круговые разрывы25,26. Недавно был проанализирован эффект отверстий как инициаторов раздавливания на показатели ударопрочности двухтрубчатых алюминиевых профилей.27 Кроме того, при проектировании тонкостенных конструкций был предложен ряд новых алгоритмов оптимизации, таких как оптимизация размера,28,29 оптимизация формы,30,31 оптимизация топологии,32,33 многоцелевая оптимизация,18,19 многоцелевая оптимизация конструкции на основе надежности,34,35 и многоцелевая оптимизация конструкции на основе надежности14,36. Эти методы предоставляют ряд мощных инструментов для проектирования сложных инженерных конструкций, удовлетворяющих различным требованиям к проектированию. Однако на практике очень важно и сложно определить местоположение и форму этих разрывов.