兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (6): 1954-1964.doi: 10.12382/bgxb.2023.0366
收稿日期:
2023-04-24
上线日期:
2023-07-04
通讯作者:
YAN Song, JIANG Yi*(), DENG Yueguang, WEN Xianghua
Received:
2023-04-24
Online:
2023-07-04
摘要:
为提高泡沫铝填充薄壁金属圆管的吸能特性并进行高效率结构设计,基于均匀拉丁超立方试验设计方法和径向基函数神经网络,构建轴向冲击下泡沫铝填充铝管吸能特性的近似模型,并将近似模型嵌入遗传算法中实现构件的结构优化。研究结果表明:基于径向基函数神经网络构建的近似模型的拟合优度大于0.99、均方根误差小于0.08,且近似模型的计算耗时仅为数值计算的0.56%;近似模型在保证较高精度的同时可大幅提高计算效率;对泡沫铝填充铝管的结构优化发现,通过增大圆管半径和壁厚、减小高度可使泡沫铝填充铝管的平均压缩力最大化,反之,可使泡沫铝填充铝管的峰值压缩力最小化;基于遗传算法的多目标优化显著提高了泡沫铝填充铝管的吸能特性;该研究成果可为泡沫铝填充薄壁金属圆管的快速设计和优化提供参考。
中图分类号:
严松, 姜毅, 邓月光, 文享华. 泡沫铝填充薄壁金属圆管吸能特性的预测及优化方法[J]. 兵工学报, 2024, 45(6): 1954-1964.
YAN Song, JIANG Yi, DENG Yueguang, WEN Xianghua. Prediction and Optimization Method of Energy Absorption Characteristics of Thin-walled Metal Circular Pipe Filled with Aluminum Foam[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(6): 1954-1964.
部件 | 密度/(kg·m-3) | 弹性模量/MPa | 泊松比 |
---|---|---|---|
铝管 | 2700 | 68200 | 0.33 |
泡沫铝 | 330 | 80 | 0.01 |
上、下压块 | 7800 | 210000 | 0.30 |
表1 各部件的材料参数
Table 1 Material parameters of each component
部件 | 密度/(kg·m-3) | 弹性模量/MPa | 泊松比 |
---|---|---|---|
铝管 | 2700 | 68200 | 0.33 |
泡沫铝 | 330 | 80 | 0.01 |
上、下压块 | 7800 | 210000 | 0.30 |
输入参数 | 取值下限 | 取值上限 |
---|---|---|
r | 10 | 30 |
T | 1 | 5 |
H | 20 | 100 |
表2 3个参数的取值范围
Table 2 Value ranges of three parametersmm
输入参数 | 取值下限 | 取值上限 |
---|---|---|
r | 10 | 30 |
T | 1 | 5 |
H | 20 | 100 |
输出参数 | ERR | ERA | EMA | R2 | ||
---|---|---|---|---|---|---|
Fmax | 0.0442 | 0.0061 | 0.1465 | 0.9980 | ||
Fm | 0.0705 | 0.0011 | 0.2098 | 0.9949 | ||
d | 0.0735 | 0.0346 | 0.3275 | 0.9945 |
表3 近似模型误差分析
Table 3 Error analysis of approximate model
输出参数 | ERR | ERA | EMA | R2 | ||
---|---|---|---|---|---|---|
Fmax | 0.0442 | 0.0061 | 0.1465 | 0.9980 | ||
Fm | 0.0705 | 0.0011 | 0.2098 | 0.9949 | ||
d | 0.0735 | 0.0346 | 0.3275 | 0.9945 |
近似模型 | 有限元计算 |
---|---|
0.5 | 90 |
表4 近似模型与有限元计算的效率对比
Table 4 Calculation efficiency comparison of approximate model and finite element min
近似模型 | 有限元计算 |
---|---|
0.5 | 90 |
目标函数 | r/mm | T/mm | H/mm | Fm/kN | Fmax/kN |
---|---|---|---|---|---|
minFm | 10 | 1 | 100 | 9.952 | 13.550 |
maxFmax | 30 | 5 | 20 | 169.749 | 186.806 |
表5 泡沫铝填充铝管的单目标最优解
Table 5 Single-objective optimal solutions ofaluminum foam-filled aluminum tube
目标函数 | r/mm | T/mm | H/mm | Fm/kN | Fmax/kN |
---|---|---|---|---|---|
minFm | 10 | 1 | 100 | 9.952 | 13.550 |
maxFmax | 30 | 5 | 20 | 169.749 | 186.806 |
编号 | r/mm | T/mm | H/mm | Fm/kN | Fmax/kN | CFE/% |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 16.08 | 1.32 | 72.16 | 17.667 | 27.226 | 64.89 |
2 | 25.13 | 1.42 | 43.90 | 29.128 | 46.802 | 62.23 |
3 | 17.79 | 2.47 | 35.66 | 42.477 | 60.033 | 70.71 |
4 | 23.75 | 2.51 | 46.41 | 58.624 | 79.274 | 73.95 |
5 | 19.84 | 3.51 | 83.42 | 86.253 | 95.173 | 90.63 |
6 | 29.83 | 2.95 | 78.31 | 103.753 | 115.622 | 89.73 |
7 | 21.97 | 4.30 | 89.76 | 113.283 | 128.900 | 87.88 |
8 | 23.48 | 4.68 | 79.79 | 130.093 | 149.039 | 87.29 |
9 | 25.72 | 4.89 | 72.78 | 149.259 | 170.360 | 87.61 |
10 | 27.98 | 4.92 | 85.68 | 157.298 | 180.722 | 87.03 |
表6 10组数据样本及对应的有限元解
Table 6 10 groups ofdata samples and corresponding finite element solutions
编号 | r/mm | T/mm | H/mm | Fm/kN | Fmax/kN | CFE/% |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 16.08 | 1.32 | 72.16 | 17.667 | 27.226 | 64.89 |
2 | 25.13 | 1.42 | 43.90 | 29.128 | 46.802 | 62.23 |
3 | 17.79 | 2.47 | 35.66 | 42.477 | 60.033 | 70.71 |
4 | 23.75 | 2.51 | 46.41 | 58.624 | 79.274 | 73.95 |
5 | 19.84 | 3.51 | 83.42 | 86.253 | 95.173 | 90.63 |
6 | 29.83 | 2.95 | 78.31 | 103.753 | 115.622 | 89.73 |
7 | 21.97 | 4.30 | 89.76 | 113.283 | 128.900 | 87.88 |
8 | 23.48 | 4.68 | 79.79 | 130.093 | 149.039 | 87.29 |
9 | 25.72 | 4.89 | 72.78 | 149.259 | 170.360 | 87.61 |
10 | 27.98 | 4.92 | 85.68 | 157.298 | 180.722 | 87.03 |
[1] |
|
[2] |
|
[3] |
|
[4] |
支旭东, 郭梦慧, 王臣, 等. 泡沫混凝土填充圆钢管的轴压力学性能[J]. 浙江大学学报, 2019, 53(10): 1927-1935.
|
|
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
|
[8] |
|
[9] |
|
[10] |
张光成, 郭超群, 闫治坤, 等. 泡沫钢填充管的准静态压缩变形模式、力学性能及吸能特性[J]. 材料导报, 2021, 35(24): 24158-24163.
|
|
|
[11] |
|
[12] |
周宏元, 樊家乐, 王小娟, 等. 填充泡沫混凝土铝管组合挂板的吸能性能[J]. 复合材料学报, 2023, 40(5): 2885-2896.
|
|
|
[13] |
干年妃, 王多华, 冯亚楠, 等. 聚氨酯泡沫填充的碳纤维增强复合材料锥管吸能性能数值模拟及试验验证[J]. 中国机械工程, 2018, 29(5): 609-615.
|
|
|
[14] |
|
[15] |
刘雄飞, 和西民. 低应变率荷载作用下梯度泡沫铝力学性能研究[J]. 材料导报, 2023, 37(7): 198-204.
|
|
|
[16] |
|
[17] |
曹小明, 金鹏, 徐奕辰, 等. 碳化硅泡沫陶瓷/铝双连续相复合材料结构特征及增强机制[J]. 复合材料学报, 2022, 39(4): 1771-1777.
|
|
|
[18] |
|
[19] |
|
[20] |
张春云, 刘志芳. 横向爆炸载荷下泡沫铝填充管的动态响应[J]. 高压物理学报, 2021, 35(6): 134-144.
|
|
|
[21] |
刘志芳, 黄志超, 路国运, 等. 泡沫铝填充金属薄壁圆管的实验和理论研究[J]. 固体力学学报, 2017, 38(1): 55-64.
|
|
|
[22] |
|
[23] |
|
[24] |
|
[25] |
黄晶, 龙永程, 曹娇, 等. 泡沫铝材料参数反求及其填充锥形薄壁管的吸能性能研究[J]. 机械科学与技术, 2017, 36(5): 798-804.
|
|
|
[26] |
翟希梅, 孟令钊, 王建皓. 泡沫铝填充6082-T6铝合金圆管构件轴压力学性能[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2021, 53(4): 80-88.
|
|
|
[27] |
黄睿. 轴向载荷下泡沫铝填充薄壁金属管吸能特性的研究[D]. 太原: 太原理工大学, 2015.
|
|
|
[28] |
王巍. 泡沫铝填充双金属管轴向吸能特性数值模拟与实验研究[D]. 秦皇岛: 燕山大学, 2017.
|
|
|
[29] |
汪高飞, 张永亮, 郑志军, 等. 泡沫铝填充吸能盒的轴向压缩性能实验研究[J]. 实验力学, 2021, 36(5): 581-591.
|
|
|
[30] |
张宏鹏, 黄长强, 唐上钦, 等. 基于卷积神经网络的无人作战飞机飞行轨迹实时预测[J]. 兵工学报, 2020, 41(9): 1894-1903.
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2020.09.022 |
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2020.09.022 |
|
[31] |
牛得清, 伍友利, 徐洋, 等. 红外空空导弹抗干扰效能评估建模[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(9): 1874-1883.
|
|
|
[32] |
|
[33] |
李彬, 谢新, 唐文勇, 等. 基于近似模型的复合材料导管支臂结构性能分析[J]. 兵工学报, 2022, 43(6): 1435-1446.
doi: 10.12382/bgxb.2021.0300 |
|
|
[34] |
付乐天, 李鹏, 高莲, 等. 基于遗传算法与BP_Adaboost的故障检测方法[J]. 计算机仿真, 2022, 39(8): 109-114.
|
|
[1] | 陈升辉, 郭彦峰, 付云岗, 马小茭, 秦芳. 一种横截面为正五/六边形的四层复合材料管轴向冲击吸能研究[J]. 兵工学报, 2023, 44(3): 876-885. |
[2] | 刘巍, 马宏昊, 徐钦明, 姚象洋, 赵勇, 杨科, 杨辉, 沈兆武. 浅埋炸药加载下含空穴泡沫铝夹芯板动态响应机制[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3613-3621. |
[3] | 张杜江, 赵振宇, 贺良, 任建伟, 强鹭升, 周贻来. 基于Johnson-Cook本构模型的高强度装甲钢动态力学性能参数标定及验证[J]. 兵工学报, 2022, 43(8): 1966-1976. |
[4] | 李彬, 谢新, 唐文勇, 陶江平, 孙宜强, 张辉. 基于近似模型的复合材料导管支臂结构性能分析[J]. 兵工学报, 2022, 43(6): 1435-1446. |
[5] | 张震东, 王雪琴, 任杰, 刘峥, 高原, 王玺. 连续碳纤维增强环氧树脂复合材料圆管多胞结构的准静态压缩响应[J]. 兵工学报, 2022, 43(5): 1185-1193. |
[6] | 田震,刘峰,王萌,陈书培,李捷龙,赵彦凯. 基于改进NSGA-Ⅱ的载人潜水器多开孔耐压结构优化[J]. 兵工学报, 2022, 43(11): 2875-2884. |
[7] | 郭靖宇, 岳光, 吕佳镁, 任琳, 潘玉田. 基于流体动力学的热压罐框架式模具温度场优化[J]. 兵工学报, 2022, 43(1): 233-240. |
[8] | 程远胜, 谢杰克, 李哲, 刘均, 张攀. 冲击波和破片群联合作用下高强聚乙烯/泡沫铝夹芯复合结构毁伤响应特性[J]. 兵工学报, 2021, 42(8): 1753-1762. |
[9] | 张震东, 马大为, 仲健林, 高原, 王玺. 某型导弹冷发射装备场坪适应性研究[J]. 兵工学报, 2020, 41(2): 280-290. |
[10] | 郭亚周, 刘小川, 何思渊, 王计真, 杨海. 不同弹形撞击下泡沫铝夹芯结构动力学性能研究[J]. 兵工学报, 2019, 40(10): 2032-2041. |
[11] | 雷强顺, 彭友余, 汪国胜, 王超, 宋慧新. 车辆电控空气悬挂结构优化模型与优化设计方法研究[J]. 兵工学报, 2018, 39(7): 1259-1267. |
[12] | 李彬, 庞永杰, 朱枭猛, 程妍雪. 水下航行器环肋复合材料耐压壳6σ优化设计[J]. 兵工学报, 2018, 39(6): 1171-1177. |
[13] | 高华, 熊超, 殷军辉. 多次冲击下泡沫铝动态压缩力学性能试验与本构模型研究[J]. 兵工学报, 2018, 39(12): 2410-2419. |
[14] | 刘志芳, 王军, 秦庆华. 横向冲击载荷下泡沫铝夹芯双圆管的吸能研究[J]. 兵工学报, 2017, 38(11): 2259-2267. |
[15] | 萧辉, 杨国来, 孙全兆, 葛建立, 于情波. 基于自适应神经网络的火炮身管结构优化研究[J]. 兵工学报, 2017, 38(10): 1873-1880. |
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