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功能梯度下肢保護裝置設計與優化

孫曉旺 孫魁遠 秦偉偉 張紹彥 付條奇 王顯會

孫曉旺, 孫魁遠, 秦偉偉, 張紹彥, 付條奇, 王顯會. 功能梯度下肢保護裝置設計與優化[J]. 工程力學, 2023, 40(10): 190-203. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0070
引用本文: 孫曉旺, 孫魁遠, 秦偉偉, 張紹彥, 付條奇, 王顯會. 功能梯度下肢保護裝置設計與優化[J]. 工程力學, 2023, 40(10): 190-203. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0070
SUN Xiao-wang, SUN Kui-yuan, QIN Wei-wei, ZHANG Shao-yan, FU Tiao-qi, WANG Xian-hui. DESIGN AND OPTIMIZATION OF FUNCTIONALLY GRADED LOWER LIMBS PROTECTION SYSTEM[J]. Engineering Mechanics, 2023, 40(10): 190-203. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0070
Citation: SUN Xiao-wang, SUN Kui-yuan, QIN Wei-wei, ZHANG Shao-yan, FU Tiao-qi, WANG Xian-hui. DESIGN AND OPTIMIZATION OF FUNCTIONALLY GRADED LOWER LIMBS PROTECTION SYSTEM[J]. Engineering Mechanics, 2023, 40(10): 190-203. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0070

功能梯度下肢保護裝置設計與優化

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.01.0070
基金項目: 國家自然科學基金項目(11802140);中央高?;究蒲袠I務費專項資金項目(30918011303)
詳細信息
    作者簡介:

    孫曉旺(1987?),男,山東人,講師,博士,主要從事軍用車輛結構與安全防護研究(E-mail: xwsun@njust.edu.cn)

    孫魁遠(1995?),男,山東人,碩士生,主要從事軍用車輛結構與安全防護研究(E-mail: 1093653340@qq.com)

    秦偉偉(1998?),男,江蘇人,碩士生,主要從事軍用車輛結構與安全防護研究(E-mail: qinweiwei963@outlook.com)

    張紹彥(1995?),男,江蘇人,碩士生,主要從事軍用車輛結構與安全防護研究(E-mail: 17721529516@163.com)

    付條奇(1991?),男,陜西人,博士生,主要從事軍用車輛結構與安全防護研究(E-mail: fal313912@163.com)

    通訊作者:

    王顯會(1968?),男,內蒙古人,教授,博士,博導,主要從事軍用車輛結構與安全防護研究(E-mail: 13770669850@139.com)

  • 中圖分類號: TJ81+0.2

DESIGN AND OPTIMIZATION OF FUNCTIONALLY GRADED LOWER LIMBS PROTECTION SYSTEM

  • 摘要: 針對車輛底部爆炸沖擊環境下的乘員安全問題,該文結合試驗研究與有限元仿真,研究了乘員下肢在爆炸沖擊環境下的運動及受損情況;設計了一種蜂窩鋁防雷腳墊作為乘員下肢保護裝置,研究了腳墊在爆炸沖擊環境下的防護性能;研究了不同梯度結構對車內乘員下肢響應的影響;對蜂窩鋁防雷腳墊進行多目標優化設計,得到厚度梯度型蜂窩鋁防雷腳墊。結果表明:該文設計的蜂窩鋁防雷腳墊可以通過吸收能量、降低沖擊強度有效降低乘員下脛骨力,減小乘員下肢損傷;梯度結構相比于均質結構有更好的吸能特性;不同梯度結構對乘員下肢的防護效果不同,厚度梯度對乘員下肢響應的影響最大;與優化之前相比,優化后的乘員下肢保護裝置能夠使乘員左下脛骨力降低26.35%,右下脛骨力降低24.69%,腳墊總質量降低56.59%。
  • 圖  1  試驗前車輛狀態

    Figure  1.  Vehicle state before the test

    圖  2  6 kg TNT

    Figure  2.  6 kg TNT

    圖  3  試驗全局布置

    Figure  3.  Test global placement

    圖  4  試驗后車輛狀態

    Figure  4.  State of the vehicle after the test

    圖  5  試驗后假人狀態

    Figure  5.  Dummy status after test

    圖  6  整車有限元模型

    Figure  6.  Vehicle finite element model

    圖  7  乘員假人及乘員約束系統

    Figure  7.  Crew dummy and crew restraint system

    圖  8  仿真動畫截取畫面

    Figure  8.  Simulation animation screenshot

    圖  9  加速度時程曲線

    Figure  9.  Acceleration time history curve

    圖  10  假人下脛骨力時程曲線

    Figure  10.  Time course curve of lower tibial force of dummy

    圖  11  參數示意圖

    Figure  11.  Parameter diagram

    圖  12  不同布置形式蜂窩芯層

    Figure  12.  Honeycomb core layers with different arrangements

    圖  13  面內蜂窩夾層動態變形響應

    Figure  13.  Dynamic deformation response of in-plane honeycomb core layers

    圖  14  異面蜂窩夾層動態變形響應

    Figure  14.  Dynamic deformation response of heterofacial honeycomb core layers

    圖  15  腳墊及局部等效模型

    Figure  15.  Footpads and local equivalent models

    圖  16  加速度時程曲線對比

    Figure  16.  Acceleration time history curve comparison

    圖  17  蜂窩鋁腳墊總吸能

    Figure  17.  Total energy absorption of honeycomb aluminum foot pads

    圖  18  蜂窩腳墊下脛骨力歷程曲線

    Figure  18.  Tibial force history curve under honeycomb foot pad

    圖  19  下脛骨力時程曲線

    Figure  19.  Lower tibial force time course curve

    圖  20  高度梯度夾芯層吸能

    Figure  20.  Height gradient sandwich layer energy absorption

    圖  21  下脛骨力時程曲線

    Figure  21.  Lower tibial force time course curve

    圖  22  角度梯度夾芯層吸能

    Figure  22.  Angle gradient sandwich layer energy absorption

    圖  23  下脛骨力時程曲線

    Figure  23.  Lower tibial force time course curve

    圖  25  厚度梯度型蜂窩鋁腳墊設計變量示意圖

    Figure  25.  Schematic diagram of design variables of thickness gradient honeycomb aluminum foot pad

    圖  24  厚度梯度夾芯層吸能

    Figure  24.  Thickness gradient sandwich layer energy absorption

    圖  26  Pareto前沿

    Figure  26.  Pareto frontier

    圖  27  下脛骨力時程曲線

    Figure  27.  Lower tibial force time course curve

    表  1  爆炸品實測值

    Table  1.   Measured values of explosives

    項目質量/kg形狀高徑比H/D尺寸/cm密度/(g·mm?3)
    試驗要求6~6.3圓柱狀1∶38.0×Ф241.57~1.60
    試驗值6.05圓柱狀1∶38.5×Ф23.81.60
    下載: 導出CSV

    表  2  部分材料屬性參數

    Table  2.   Some material property parameters

    材料密度
    ρ/(kg·m?3)
    彈性模量
    E/GPa
    屈服極限
    σs/MPa
    抗拉強度
    Et/MPa
    失效應變
    εfs/(%)
    960E7800210960108011
    NP50078002101300148612
    Q235780021023546635
    下載: 導出CSV

    表  3  3003H14鋁板材料參數

    Table  3.   Material parameters of 3003H14 aluminum plate

    材料密度/
    (kg·m?3)
    彈性模量/
    GPa
    屈服強度/
    MPa
    抗拉強度/
    MPa
    伸長率/(%)
    3003H142.7×1036811514310.1
    下載: 導出CSV

    表  4  不同布置形式蜂窩芯層仿真結果

    Table  4.   Simulation results of honeycomb core layers with different layouts

    布置形式左下脛骨力/kN右下脛骨力/kN腳墊吸能/J
    面內蜂窩4.804.82446.212
    異面蜂窩12.5312.41154.934
    下載: 導出CSV

    表  5  高度梯度結構設置

    Table  5.   Height gradient structure settings

    工況第1層胞元
    高度h1/mm
    第2層胞元
    高度h2/mm
    第3層胞元
    高度h3/mm
    總高度H/mm
    均質結構22222275
    正梯度結構24222075
    負梯度結構20222475
    凸梯度結構一22242075
    凸梯度結構二20242275
    凹梯度結構一24202275
    凹梯度結構二22202475
    下載: 導出CSV

    表  6  不同高度梯度結構仿真結果

    Table  6.   Simulation results of different height gradient structures

    工況左下脛骨力/kN右下脛骨力/kN比吸能/(J·kg?1)
    均質結構4.804.82655.77
    正梯度結構4.794.75705.76
    負梯度結構4.484.45709.62
    凸梯度結構一4.794.76692.31
    凸梯度結構二4.654.61701.92
    凹梯度結構一4.574.52703.85
    凹梯度結構二4.554.50705.77
    下載: 導出CSV

    表  7  角度梯度結構設置

    Table  7.   Angle gradient structure settings

    工況第1層胞元角度
    $ {\theta _1} $/(°)
    第2層胞元角度
    $ {\theta _2} $/(°)
    第3層胞元角度
    $ {\theta _3} $/(°)
    總高度
    H/mm
    均質結構12012012075
    正梯度結構13012011075
    負梯度結構11012013075
    凸梯度結構一12013011075
    凸梯度結構二11013012075
    凹梯度結構一13011012075
    凹梯度結構二12011013075
    下載: 導出CSV

    表  8  不同角度梯度仿真結果

    Table  8.   Gradient simulation results at different angles

    工況左下脛骨力/kN右下脛骨力/kN比吸能/(J·kg?1)
    均質結構4.804.82655.77
    正梯度結構4.654.66709.62
    負梯度結構4.424.49707.69
    凸梯度結構一4.494.58701.92
    凸梯度結構二4.144.16728.85
    凹梯度結構一4.214.20688.46
    凹梯度結構二4.985.12657.69
    下載: 導出CSV

    表  9  厚度梯度結構設置

    Table  9.   Thickness gradient structure settings

    工況第1層胞元厚度
    $ {t_1} $/mm
    第2層胞元厚度
    $ {t_2} $/mm
    第3層胞元厚度
    $ {t_3} $/mm
    總質量
    M/kg
    均質結構0.30.30.32.362
    正梯度結構0.40.30.22.362
    負梯度結構0.20.30.42.362
    凸梯度結構一0.30.40.22.362
    凸梯度結構二0.20.40.32.362
    凹梯度結構一0.40.20.32.362
    凹梯度結構二0.30.20.42.362
    下載: 導出CSV

    表  10  不同厚度梯度結構仿真結果

    Table  10.   Simulation results of gradient structures with different thicknesses

    工況左下脛骨力/kN右下脛骨力/kN比吸能/(J·kg?1)
    均質結構4.804.82655.77
    正梯度結構4.314.27694.23
    負梯度結構4.024.06728.85
    凸梯度結構一3.984.00748.08
    凸梯度結構二4.014.03700.00
    凹梯度結構一4.884.91651.92
    凹梯度結構二5.115.06642.31
    下載: 導出CSV

    表  11  設計變量的取值范圍

    Table  11.   Value range of design variables

    設計變量初始值/mm上限值/mm下限值/mm
    $ {T_1} $0.30.50.1
    $ {T_2} $0.30.50.1
    $ {T_3} $0.30.50.1
    $ {T_4} $3.05.00.5
    $ {T_5} $3.05.00.5
    下載: 導出CSV

    表  12  基于拉丁超立方的設計變量取值及響應

    Table  12.   Values and responses of design variables based on Latin hypercube

    序號$ {T_1} $/mm$ {T_2} $/mm$ {T_3} $/mm$ {T_4} $/mm$ {T_5} $/mm${f_{\rm{L}}}$/kN${f_{\rm{R}}}$/kN${f_{\rm{M}}}$/kg
    10.180.260.423.203.716.096.242.60
    20.260.420.341.402.414.054.131.81
    30.420.340.182.304.325.505.542.57
    40.290.320.230.681.685.085.541.27
    50.370.480.153.383.495.755.642.68
    $\vdots$
    260.480.150.350.862.865.235.371.76
    270.440.290.321.944.254.484.382.52
    280.460.200.211.222.945.996.081.81
    290.450.240.461.584.165.515.582.46
    300.240.460.191.763.646.666.842.19
    注:T1~T5分別為第一夾芯層厚度、第二夾芯層厚度、第三夾芯層厚度、上面板厚度和下面板厚度;fL為假人左下脛骨力;fR為假人右下脛骨力;fM為蜂窩鋁腳墊總質量。
    下載: 導出CSV

    表  13  驗證樣本點的設計變量取值及響應

    Table  13.   Design variable values and responses of validation sample points

    序號T1/mmT2/mmT3/mmT4/mmT5/mmfL/kNfR/kNfM/kg
    10.400.380.442.662.195.395.452.26
    20.260.420.341.402.414.064.131.81
    30.130.400.384.283.695.745.762.95
    40.420.340.182.304.325.495.652.56
    50.380.4360.2923.022.275.445.512.31
    注:T1~T5分別為第一夾芯層厚度、第二夾芯層厚度、第三夾芯層厚度、上面板厚度和下面板厚度;fL為假人左下脛骨力;fR為假人右下脛骨力;fM為蜂窩鋁腳墊總質量。
    下載: 導出CSV

    表  14  目標響應的決定系數

    Table  14.   Coefficient of determination for target response

    目標響應假人左下脛骨力${f_{\rm{L}}}$假人右下脛骨力${f_{\rm{R}}}$蜂窩鋁腳墊總質量${f_{\rm{M}}}$
    R20.9820.9760.985
    下載: 導出CSV

    表  15  Pareto標準化解集

    Table  15.   Pareto normalized solution set

    序號$ {T_1} $/mm$ {T_2} $/mm$ {T_3} $/mm$ {T_4} $/mm$ {T_5} $/mm${f_{\rm{L}}}$/kN${f_{\rm{R}}}$/kN${f_{\rm{M}}}$/kg
    10.400.400.280.510.503.637.761.02
    20.390.400.290.500.503.643.771.02
    30.390.410.340.500.583.453.511.08
    $ \vdots $
    9870.400.400.230.500.503.874.050.98
    9880.390.410.280.500.503.653.771.02
    9890.400.410.260.500.503.703.821.01
    $ \vdots $
    20650.380.400.260.500.503.813.990.99
    20660.410.390.200.500.504.044.250.96
    注:T1~T5分別為第一夾芯層厚度、第二夾芯層厚度、第三夾芯層厚度、上面板厚度和下面板厚度;fL為假人左下脛骨力;fR為假人右下脛骨力;fM為蜂窩鋁腳墊總質量。
    下載: 導出CSV

    表  16  設計變量及仿真結果

    Table  16.   Design variables and simulation results

    設計變量和
    目標響應
    $ {T_1} $/mm$ {T_2} $/mm$ {T_3} $/mm$ {T_4} $/mm$ {T_5} $/mm${f_{\rm{L}}}$/kN${f_{\rm{R}}}$/kN${f_{\rm{M}}}$/kg
    優化前0.300.300.303.003.004.804.822.35
    優化后0.390.410.280.500.503.653.771.02
    驗證0.390.410.280.500.503.553.631.02
    注:T1~T5分別為第一夾芯層厚度、第二夾芯層厚度、第三夾芯層厚度、上面板厚度和下面板厚度;fL為假人左下脛骨力;fR為假人右下脛骨力;fM為蜂窩鋁腳墊總質量。
    下載: 導出CSV

    黑人大屌丝逼逼
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出版歷程
  • 收稿日期:  2022-01-17
  • 修回日期:  2022-06-07
  • 網絡出版日期:  2022-06-24
  • 刊出日期:  2023-10-10

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