本方案描述了利用有限元模拟研究波纹锥形管准静态压缩性能的方法。研究了壁厚梯度对压缩性能的影响。结果表明，合理的壁厚梯度设计可以改变管件的变形模式，并显著提高其能量吸收性能。
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本文内容
摘要
摘要
本研究采用有限元模拟方法，对锥形管的准静态压缩性能进行了研究。以往研究表明，厚度梯度可降低初始峰值力，而横向波纹结构可提高能量吸收性能。因此，设计了两种具有变厚度的横向波纹锥形管，并对其变形模式、载荷-位移曲线及能量吸收性能进行了分析。结果表明，当厚度变化因子（k）为0.9、1.2和1.5时，单波纹锥形管（ST）的变形模式由横向胀缩转变为轴向渐进折叠。此外，厚度梯度设计提升了ST的能量吸收性能。与k = 0的ST模型相比，k = 1.5模型的能量吸收（EA）和比能量吸收（SEA）分别提高了53.6%和52.4%。与锥形管相比，双波纹锥形管（DT）的EA和SEA分别提高了373%和95.7%。k值的增加显著降低了管材的峰值压溃力，并提高了压溃力效率。
引言
耐撞性是轻量化汽车的关键问题，而薄壁结构被广泛用于提升耐撞性。典型的薄壁结构（如圆管）具有良好的能量吸收能力，但在压溃过程中通常会产生较大的峰值力和载荷波动。通过引入轴向波纹结构可解决这一问题1,2,3。波纹结构的存在使管件能够按照预设的波纹模式发生塑性变形和折叠，从而降低峰值力和载荷波动4,5。然而，这种稳定且可控的变形模式存在一个缺点：能量吸收性能下降。为了提高轴向波纹管的能量吸收能力，研究人员尝试了多种方法，例如在波长6,7和振幅8上采用功能梯度设计、填充泡沫材料9,10、构建多腔室或多壁结构11，以及组合管件设计12。
此外，研究人员通过在圆形管的横截面上引入波纹结构，设计出了侧向波纹管
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方案
1. 在CAD软件中创建表面
- 打开CAD软件（参见材料表），左键单击文件，左键单击新建，然后选择零件。
- 在零件1中，右键单击上视基准面，然后选择显示。
- 创建一个新基准面：按住Ctrl键，左键单击并选中上视基准面，将其向上拖动。输入30 mm作为偏移距离，并将该基准面重命名为"下视基准面"。
- 在"上视基准面"上创建草图。
- 右键单击上视基准面，选择草图以创建草图1。在草图的样条曲线中选择方程驱动曲线。
- 在方程类型中选择参数式。根据表1输入参数。
注：此步骤生成....
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结果
评估结构耐撞性的常用指标包括总能量吸收（EA）、比能量吸收（SEA）、峰值压溃力（PCF）、平均压溃力（MCF）和压溃力效率（CFE）42。
总能量吸收（EA）43 可表示如下：
(1)
其中 l 为压溃距离， F(x) 为压溃力。为了比较本研究中各结构的能量吸收性能，将压溃距离设定为 20 mm。
SEA
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讨论
采用有限元分析方法研究了锥形管的准静态压缩性能。设计了两种新型变厚度波纹锥形管，并对其准静态压缩性能进行了研究。在准静态压缩仿真中，需要验证若干关键步骤和设置。
材料参数是有限元计算的基本要求（方案步骤2.2.1）。本研究中，材料参数来源于文献41。对316L不锈钢进行了标准拉伸试验，获得了材料的名义应力-应变曲线。随后，利用公式5和公式6将名义应力-应变曲线转换为真实应力-应变曲线（图2）。最后，从真实应力-应变曲线中获取了杨氏模量、屈服应力和塑性应变等参数。
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
第一作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52078152 和 12002095）、广州市科技计划一般项目（项目编号：202102021113）、广州市政府-高校联合基金（项目编号：202201020532）以及 广州市科技计划项目（资助编号：202102020606）提供的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| ABAQUS | Dassault SIMULIA | 有限元软件 | |
| CT | Botong 3D printing | 实验用锥形管 | |
| SOLIDWORKS | Dassault Systemes | CAD 软件 | |
| 万能试验机 | SUNS | UTM5205, 200kN |
参考文献
- Wu, S., Li, G., Sun, G., Wu, X., Li, Q. Crashworthiness analysis and optimization of sinusoidal corrugation tube. Thin-Walled Structures. 105, 121-134 (2016).
- Hao, W., Xie, J., Wang, F., Liu, Z., Wang, Z. Ana....
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重印与许可
