基于极小曲面结构的高速公路防撞垫研究.docx

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1、基于极小曲面结构的高速公路防撞垫研究重庆交通大学孙楠马雯怡郭东灵（1.重庆交通大学土木工程学院，重庆4000741;2 .重庆交通大学土木工程学院，重庆今3 .重庆交通大学土木工程学院，重庆3）周开发副教授中文摘要：针对传统防撞垫结构对车辆造成的碰撞力过大问题，设计了一种基于单周期极小曲面的夹层结构的新型可导向防撞垫。首先，利用MaIhematiCa探究了SPMS隐函数表达式中a、b、C三个参数改变对结构形式的影响规律。然后，对SPMS结构进行准静态压缩有限元仿真。最后，建立车辆-防撞垫碰撞模型系统，在IOokmZh的车速下进行了实车碰撞仿真。研究结果表明：参数a,b的改变会使结构呈现周期性旋

2、转对称变化的现象，参数C的会改变SPMS结构亏格的大小，最终确定参数a、b、C的最优值分别为1、0.3、Oo通过实车碰撞模拟，与传统防撞垫相比，新型防撞垫在正碰、侧碰工况下，峰值碰撞力分别下降了37.5%和18.8%。该新型防撞垫能够有效降低碰撞力，同时吸收冲击破坏下的巨大能量，具有良好的工程借鉴价值。英文摘要：Toso1vetheprob1emofexcessiveco11isionforcecausedbytraditiona1crashcushion,anove1guidingcrashcushionisdesignedbasedontheSing1yPeriodMinima1Surfa

3、ce（SPMS）sandwichstructure.First1y,Mathematicaisusedtoexp1oretheinf1uenceofparameterchangesofa,bandCintheimp1icitfunctionexpressionofSPMSonthestructureform.Then,thequasi-staticcompressionfinitee1ementsimu1ationiscarriedout.Fina11y,thevehic1e-crashcushionco11isionmode1systemisestab1ished,andthefu11sca

4、1ecrashsimu1ationiscarriedoutatthespeedof100kmh.Theresu1tsshowthatthechangeofparametersaandbwi11makethestructureexhibitperiodicrotationa1symmetricchanges,andthechangeofparametercwi11changethesizeofthegenus.At1ast,theoptima1va1uesofparametersa,bandcare1,0.3and0respective1y.Throughthefu11sca1ecrashsim

5、u1ation,comparedwiththetraditiona1crashcushion,thepeakimpactforceofthenove1crashcushiondecreasesby37.5%and18.8%inthefronta1andfronta11atera1conditions.Thenewcrashcushioncaneffective1yreducetheimpactforce,andabsorbthehugeenergyundertheimpactdamage,whichpossessesagoodengineeringreferenceva1ue.关键词：单周期极

6、小曲面；可导向防撞垫；耐撞性能；有限元方法引言随着汽车保有量飞速增长，我国高速公路配套设施更加完善。但是，高速公路事故也日益频发。相关调查表明，高速公路主出入口、匝道三角分流地带，一直是交通安全整治的重点及难点。因此，高速公路防撞垫成为近年来国内外高速公路安全领域的研究热点。1969年，HirSChTJ等就对其自主研发的防撞垫，进行了多角度实车碰撞测试。这是最早的防撞垫的构造形式，它主要是由多个防撞桶排列在一起。这种构造占地面积大，吸能效果不突出。因此在1983年，E1vikRM提出以测试吸能元件的力学性能来设计高速公路防撞垫整体结构的理论。该理论为防撞垫抗冲击性能优化设计奠定基础。1994年

7、我国交通公路科学研究所专家杨久龄在前往美国和日本考察的报告中，首次提到美国在高速公路护栏端头处理的方法，并描述了CAT、ET-2000等防撞垫构型。近些年，我国的众多学者在国外研究的基础上，对防撞垫的结构进行再设计，以满足我国交通安全需求。邰永刚等利用实车碰撞试验与仿真相结合的方法，验证了TS级高速公路防撞垫的设计要求。雷正保等设计了一种新型TA级可导向防撞垫，来提高碰撞安全性。这些研究使高速公路防撞垫在我国交通领域的应用愈发广泛。国家级大学生创新创业训练计划支持项目OI作者简介：孙楠（1999年）、男、汉族、土木工程专业、2018级、主要研究方向为力学与道路材料。作者简介：马雯怡（2000年

8、-）、女、汉族、土木工程专业、2018级、主要研究方向为力学与隧道材料。作者简介：郭东灵（1999年）、男、汉族、土木工程专业、2017级、主要研究方向为力学与道路材料。但是，仅对防撞垫的形状进行研究，不足以保证碰撞时的吸能作用。近几年，超材料的研究不断深入,极小曲面结构为高速公路防撞垫夹层结构带来了新的思路与方向。该结构是数学方法推导的拓扑曲面，可以在三维空间中重复，形成轻质、表面积大、高强度的结构。且该结构几何形式多样，并可用参数化方法构建数学模型，为精确构建复杂曲面夹层结构提供了基础。SebaStianC等设计了一种极小曲面衍化出的脚手架结构。与传统脚手架结构对比，这种新型的脚手架结构具

9、有显著的力学性能优势。丫出等将四种不同的TPMS结构(PrimitiVe,FRD,IW和Gyroid)进行对比分析，发现FRD结构具有优异的抗冲击性能。WangY等采用映射方法制作了一种圆柱型Gyroid1CS结构，并发现比能量吸收和平均荷载与相对密度具有幕函数的关系。KaPfer等通过研究基于曲面的核-壳结构，发现其具有在一个方向上承受拉伸荷载时，在所有方向上延伸的特性。张远飞WJ等对曲面夹层结构的不同孔型、尺寸、孔隙率、空隙分布等参数进行探究。通过结构的几何特征，逆向演算出了所需要的结构几何参数。1iUF等3提出了一种基于TPMS的梯度多孔支架，并实现了对该结构以特定的方式实现分级孔径变化

10、。综上所述，极小曲面结构具有优异的力学性能，并能够通过参数化方法对其结构进行控制，以实现结构力学性能的优化。基于此，为了更好地提升防撞垫碰撞时的吸能特性，本文设计了一种基于单周期极小曲面(SingIyPeriodicMinima1Surface,SPMS)夹层结构的防撞垫，拟通过参数研究和准静态模拟，对SPMS结构变化规律及力学性能进行研究。并建立汽车-防撞垫碰撞模型,来探究SPMS结构对防撞垫吸能效率的影响规律。一、SPMS夹层结构几何非线性变化研究本文首先利用Mathcmatica软件对SPMS结构隐函数数学表达式(见式1)中的参数进行研究。sinh(ax)sinh(y)sin(bz)=c

11、*MERGEFORMAT(1)研究发现，在区间内，当a,b,c参数发生微小量值扰动时，SPMS结构形式会呈现出有规律性的非线性几何变换。因此，本文针对上述三个参数a、b、c,运用单一变量方法，进行几何非线性变换研究。表1几何非线性变换研究自变量ab=1,c=Oa=-1a=-0.6a=-0.2a=0.2a=0.6a=1自变量Ca=1,b=1c=-1c=-0.6c=-0.2c=0.2c=0.6C=I首先，以a、b、C均为1的SPMS结构作为初始结构。然后，对三个参数在-1,1区间内进行单变量参数变化研究。最后，取参数变化步长为0.4,绘制如下表1所示的结构变化示意图。参数a的变化体现出Origam

12、i结构的折叠性，如表1第1行图所示。从-IT的变化过程中，每一个亏格都在从圆形不断向扁平状发展。结构出现褶皱性，从而体现出了Origami结构的折叠性。对最终生成的结构进行比较，发现当参数a为-1和1时，结构发生了90旋转。这两个曲面点阵结构存在周期性旋转对称的现象。对参数b进行研究，结果表明，参数b影响了结构亏格的纵向变换。纵向亏格随着b在口,0区间逐渐增大而增大。而b在0,1区间逐渐增大时，亏格随之减小，最终在胞元的上下端出现半圆缺口。将生成的结构进行分析，得出了与参数a相似的结论。参数b生成的结构，也存在周期性旋转对称的现象。参数C影响的是SPMS亏格的大小。在区间内，亏格随着参数C的增

13、大而扩大。结构从联通到分离，不再出现周期性旋转对称现象。综上，本文发现，SPMS结构的三个参数在变化区间内，存在周期性几何非线性变换规律。二、防撞垫夹层结构的确立（一）准静态压缩试验为确定最优的SPMS结构作为防撞垫夹层，对各个参数的SPMS结构进行了准静态压缩仿真试验。选定的材料本构为双线性模型，其力学参数见下表2。表2材料的力学性能材料参数数值密度kgm37850弹性模量/MPa2.1105泊松比0.3屈服应力/MPa210切线模量ZMPa2100有限元网格采用四边形网格划分，所有网格采用壳单元进行计算。划分的总单元数为6274个。加载方式参照标准压缩实验,对结构下端设置固定约束，对上端刚

14、性板,采用位移荷载，施加速度为7.5mmmin,施加时间为4min。其网格划分及加载方式见图1。图1SPMS夹层结构加载方式车辆在撞击防撞垫过程中，通常需要防撞垫夹层发生变形，将车辆碰撞时产生的动能转化为不可逆转的内能。因此，本文在评价夹层结构时，选取内能作为评价指标。其公式为E=1FdS*MERGEFORMAT其中，E为总吸收能，s为结构位移，F为碰撞力。本文将各个结构的总能量曲线导出，见图2。（a）参数a对总能量的影响（b）参数b对总能量的影响（C）参数C对总能量的影响图2参数a,b,c对总能量的影响由图可知，参数a越大，结构的褶皱越少，结构的吸能效率越低；参数b控制的亏格位置，只有当亏格

15、处于结构中心时，能量吸收效率最高；而参数C表明，亏格过大或过小，都会影响结构的吸能效率。最后，当a=1,b=0.3,C=O时，结构的能量吸收率要远高于其他结构。因此，将参数a=1,b=0.3,C=O时的SPMS结构作为新型防撞垫的夹层结构，进行下一步整车碰撞分析研究。（二）有限元模型的验证为确保本文有限元模型的准确性，在整车碰撞分析前，对本文有限元模型进行验证。本文首先选用王赫庭122-24研究的三周期极小曲面时采用的材料参数。然后，建立了有限元模型。最后，将本文的研究结果与其试验结果进行对比。图3为本文仿真下的结构变形过程与王赫庭的试验过程的对比。在相同压缩位移下，有限元模型的变形模式与实验

16、结果基本吻合。首先，在结构中部出现折叠瓣。然后，呈现逐步向内收缩的变形模式。最终，结构完全压溃。图3仿真与试验对比图本文建立的三周期极小曲面的仿真与王赫庭研究中的实验、仿真得出的应力一位移曲线对比如图4所示。在压缩过程中，本文有限元仿真得到的力-位移曲线与王赫庭得出结果具有较高的一致性。从而可以验证，本文建立的有限元模型具有较高的准确性，可以用于后续的研窕。wca*ca1(mm)图4仿真与试验力-位移曲线对比图三、汽车-防撞垫碰撞系统的建立本文将使用1sRyna进行有限元数值模拟，汽车-防撞垫碰撞系统的具体建立过程见下。(一)防撞垫几何模型本文将She汰设计的防撞垫几何参数作为基本尺寸。防撞垫夹层结构设