自相似多胞方管的能量吸收与拓扑优化

近日，南京大学现代工程与应用科学学院陈延峰教授、卢明辉教授团队与南京理工大学机械工程学院李鑫教授合作，提出了两种顶角增强原理与自相似原理相结合的多胞方管截面拓扑设计策略。该项工作通过实验测试、有限元模拟分析、理论推导与拓扑优化相结合的方法，验证了两种截面拓扑设计策略对于多胞管耐撞性优化的有效性，相关研究对于截面拓扑优化方法在多胞管耐撞性设计的深入应用具有重要的参考意义。该项研究成果以“Energy absorption and topology optimization of self-similar inspired multi-cell square tubes”为题，发表于期刊《Thin-walled Structures》上。南京大学现代工程与应用科学学院22级硕士研究生孙嘉鹏为论文第一作者，南京理工大学李鑫教授为通讯作者，南京大学陈延峰教授、卢明辉教授、张秀娟副教授给予了重要建议，南京大学何玉龙博士后对本文也有重要贡献。

金属薄壁多胞管由于具有高比强度、高比刚度等优点，被广泛应用于汽车、船舶等运载工具的碰撞吸能系统中。在发生碰撞时，金属薄壁多胞管通过塑性变形耗散大量能量，以减轻碰撞对乘客和物品的伤害，因此提高多胞管的吸能特性对于提升运载系统的安全性能十分关键。其中，金属薄壁多胞方形管由于制作成本较低且易于与其他工程结构集成，在实际工程应用中占据重要地位。

在碰撞过程中，多胞方管的顶角附近会发生明显的塑性大变形（弯曲变形和膜变形），其与结构的能量吸收和变形模式密切相关。通过对结构截面构型进行设计，在多胞方管的顶角附近分布更多的材料，例如在顶角附近设计更多的胞元结构或者增加顶角处肋板的壁厚，可以显著增强多胞方管的能量吸收和结构稳定性，这种设计准则也被称为顶角增强原理。同时，引入自相似设计策略的多胞方管也展现出优异的力学性能，但目前自相似多胞方管主要是基于顶点或边缘的层级设计来实现，基于全局和局域自相似截面布局的顶角增强策略下多胞管能量吸收的研究相对较少。