功能梯度折返负泊松比点阵结构用于汽车碰撞盒的耐撞性能数值与实验研究

《Scientific Reports》：Numerical investigation of energy absorption behaviour of additively manufactured functionally graded lattice structures for automotive crash box applications

　　

摘要

在致力于提高汽车结构碰撞安全性的过程中，轻质吸能点阵架构受到了广泛关注。本研究开展了一项针对用于汽车碰撞盒应用的增材制造均匀和功能梯度（FG）点阵结构的数值与实验相结合的研究。在准静态和动态载荷条件下，评估了四种点阵拓扑结构：体心立方（BCC）、带垂直加强筋的体心立方（BCCz）、八面体桁架和折返负泊松比结构。其新颖之处在于对多种点阵拓扑结构的比较分析以及在相同载荷条件下开发功能梯度折返负泊松比点阵。开发了具有不同胞元尺寸、杆厚和折返角的参数化模型，并使用有限元仿真进行分析。在所有配置中，折返负泊松比点阵表现出优异的变形稳定性和比吸能行为。进一步研究了不同堆积因子的均匀点阵和具有逐层密度变化的功能梯度点阵在准静态压缩和冲击载荷下的表现。功能梯度折返负泊松比点阵的比吸能（SEA）比相应的均匀点阵高出约 17.9%，表明其耐撞性能得到了改善。最后，将优化后的功能梯度点阵集成到碰撞盒中，与均匀点阵碰撞盒相比，其吸收的能量更多（72,343 J 对比 69,654 J），比吸能更高（38.54 对比 37.39 kJ/kg），力响应更平滑，尽管代价是峰值压溃力更高且碰撞力效率较低（0.61 对比 0.72）。这些结果表明，功能梯度点阵在轻质汽车耐撞性应用方面具有潜力。