基於納米表面技術的能量吸收結構研究與最佳化設計

《基於納米表面技術的能量吸收結構研究與最佳化設計》是依託大連理工大學,由徐新生擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於納米表面技術的能量吸收結構研究與最佳化設計
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：徐新生

項目摘要

隨著納米表面技術等高科技的進步，促進了新學科方向的迅速發展，新的觀念和新的設計理念倍受關注。本基金正是在此背景下展開研究和探討。研究工作以經納米表面技術處理的彈塑性圓柱殼結構吸能問題作為突破口，然後向其它經典殼體拓延。研究內容包括：納米技術對材料的力學行為的影響以及材料屈服應力與結構屈曲的關係；納米技術局部處理和分布對結構屈曲路徑和最後屈曲模態的特徵，揭示納米材料對殼體後屈曲模態的誘導規律；各種屈曲路徑和最後屈曲模態所吸收能量的規律及殘餘塑性應變的特點；以所吸收的能量為目標函式，以圓柱殼局部納米技術處理的區域和形狀以及材料常數與幾何參數為設計變數，以邊界和強度等為約束條件對結構屈曲吸能問題最佳化設計，獲得整體最優解或局部最優解等；提出一種新的基於納米表面技術的能量吸收結構設計原理。通過研究，試圖從研究思路上有所突破，並為探討和能量吸收裝置的設計探索一條新的途徑。推動該學科方向的交叉和發展。

結題摘要

本基金項目以汽車和城市軌道列車安全問題為研究背景，以一種新型能量吸收結構和裝置的設計原理為研究對象。利用先進的表面納米化技術，採用試驗和數值仿真的方法，最佳化設計新型局部表面納米化分布薄壁結構吸能裝置和系統。使得從吸能裝置設計原理上突破和創新，進而提供該類納米化吸能系統的製造方案和技術。研究內容包括：納米技術對材料的力學行為的影響以及材料屈服應力與結構屈曲的關係；納米技術局部處理和分布對結構屈曲路徑和最後屈曲模態的特徵，揭示納米材料對薄壁結構後屈曲模態的誘導規律；各種屈曲路徑和最後屈曲模態所吸收能量的規律及殘餘塑性應變的特點；以所吸收的能量為目標函式，以薄壁結構局部納米技術處理的區域和形狀以及材料常數與幾何參數為設計變數，以邊界和強度等為約束條件對結構屈曲吸能問題最佳化設計，獲得整體最優解或局部最優解等；提出一種新的基於納米表面技術的能量吸收結構設計原理。主要研究結果包括：通過試驗獲得的表面納米化金屬材料力學性能表明，主要性能均有提高，特別是屈服應力可提高到4倍以上；對於圓柱形薄壁結構，矩形片狀納米化區域分布時，其屈曲為最佳屈曲模式，該模式整個屈曲過程比較穩定；對於正方形截面薄壁結構，環向局部表面納米化條帶反對稱式布局形式最合理，其屈曲模態呈現漸進穩定緊湊疊層屈曲過程，且比吸能提高很大；在正六邊形截面薄壁結構局部納米化布局設計中，環向反對稱式納米化條帶布局在一定程度上可達到事先預設的屈曲模式，達到最佳吸能效果並可降低最大衝擊力；局部納米化程度的選取可以實現誘導首先發生屈曲的位置；最佳化設計表面納米化薄壁結構的尺寸可進一步提高比吸能。研究工作建立一套控制吸能結構屈曲模態的科學方法和技術，提出一種新型能量吸收結構和裝置的設計原理。這種設計改變了傳統的方式，從研究思路上和設計原理取得了突破和創新，探索一條新的途徑。研究方法可推動該學科方向的交叉和發展，也可推廣到其它學科和領域。