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折纸艺术与碰撞力学

 

在过去三年里,谢亿民院士团队一直尝试将折纸艺术应用到汽车碰撞吸能结构设计中,并取得一些具有实际应用价值的研究成果。


提起折纸,人们往往想到的是娱乐和艺术。事实上,折纸所包含的折叠技术及潜在用途,近年来受到许多领域关注。然而,目前大多数研究着重于折纸的几何形态与变形机理,而对折纸应用于汽车构件的研究甚少。


谢亿民院士团队的杨凯博士生在他的课题中着重研究了不同的“折纸”形式对碰撞吸能结构的能量吸收性能的影响,在此基础上进行了结构优化设计。传统的薄壁管结构简单,制造成本低,具有良好的缓冲吸能效果,已经广泛应用于运载工具的碰撞吸能系统。例如安装在汽车保险杠后面的碰撞吸能管,其主要作用是吸收碰撞时的冲击能量,避免乘客受到伤害。但是,传统薄壁管在轴向冲击荷载下的屈曲模式对结构的随机缺陷高度敏感,其变形模式极易随之发生改变。此外,在碰撞过程中会出现很高的初始峰值力以及冲击力的剧烈扰动,极大地增加了对乘客颈椎损伤和潜滑腹部损伤的风险。合理有效地设计性能优异的缓冲吸能结构是交通运输工具设计与发展的重要课题。


为了改进圆形金属管的吸能性能,研究团队首先根据圆管在轴向冲击试验中观测到的“Yoshimura”屈曲模式,将“Yoshimura”折纸模式预制在圆形管件上,形成“全金刚石构型(Full-diamond)”金属管。之后,研究团队通过有限元模拟对预制折纸模式的各种设计参数对新型管件机械性能及吸能特性的影响进行了深入研究,并通过3D打印制造的黄铜管模型的准静态压缩试验对仿真结果进行了实验验证。结果表明,合理设计的折纸模式可有效控制薄壁管的变形过程,降低初始峰值力及冲击力扰动,同时保持或增强管件结构的能量吸收能力。在后续研究中,研究团队又针对圆形管创新地提出了一种具有平滑过渡椭球形凹凸槽的“Dimple”管,并基于传统的冲压技术提出了相关制造方案。研究发现,“Dimple”管与“全金刚石构型(Full-diamond)”管具有类似优良的吸能特性。


研究团队还尝试了将“金刚石构型(Diamond)”折纸模式引入正四边形的四胞或五胞薄壁管中。一方面通过有限元模拟对各种设计参数对新型管件机械性能的影响进行了广泛而深入的研究;另一方面通过响应曲面法(Response Surface Method)对具有“Diamond”折纸图案的多胞薄壁管进行了多目标参数优化,旨在寻求具有低初始峰值力,高比能量吸收和小冲击力扰动的最佳设计。与最优设计相应的3D打印样品在准静态和动态轴向压缩试验中表现出与有限元模型良好的一致性。研究结果表明,多胞新型管件结构可显著提高吸能性能,并有效降低车辆或其他运载工具碰撞过程中乘客受伤的风险。


该研究课题由谢亿民院士、徐山清博士、周世伟博士共同指导,由博士生杨凯完成。目前已发表以下三篇SCI期刊论文,还有一篇关于折纸多胞管的动态冲击试验与有限元模拟结果将于近期发表。您若感兴趣,请与我们联系 (邮箱 mike.xie@rmit.edu.au)。也非常欢迎更多学生、学者加入我们在墨尔本、上海、南京的研究团队,攻读博士学位或短期学术访问与实习。

Yang, K., Xu, S., Shen, J., Zhou, S. & Xie, Y. M. 2016. Energy absorption of thin-walled tubes with pre-folded origami patterns: Numerical simulation and experimental verification. Thin-Walled Structures, 103, 33-44.
Yang, K., Xu, S., Zhou, S., Shen, J. & Xie, Y. M.2017. Design of dimpled tubular structures for energy absorption. Thin-Walled Structures, 112, 31-40.
Yang, K., Xu, S., Zhou, S. & Xie, Y. M. 2018. Multi-objective optimization of multi-cell tubes with origami patterns for energy absorption. Thin-Walled Structures, 123, 100-113.

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