科研力量 | 华侨大学车辆团队

　　层级结构压缩

　　张勇，男，1980年出生于重庆，博士，教授，博导。2009年湖南大学车辆工程专业博士毕业后到华侨大学任教，2017年国家公派在澳大利亚新南威尔士大学进行为期一年的访学。中国工程机械学会理事、福建省力学学会会员、华侨大学机电学院车辆工程系主任。福建省高等学校新世纪优秀人才，论文获福建省自然科学优秀论文二等奖，入选2014中国精品期刊顶尖论文平台-领跑者5000。

　　一直从事车辆安全性及轻量化设计的教学与研究，主持包括2项国家自然科学学基金、博士后基金特别资助在内的项目10余项，发表被SCI、EI收录的论文40余篇（ESI高引一篇）。申请发明专利30余项，已获授权10余项。担任《International Journal of Mechanical Sciences》、《Thin-walled Structures》、《Materials & Design》、《Engineering Computations》、《International Journal of Crashworthiness》等多个国际期刊审稿人。

　　一、轻质防护结构的耐撞性设计

　　随着汽车保有量的逐年增长，交通事故的数量也逐年攀升，汽车的碰撞安全性能已经成为人们不可忽视的问题。因此，具有高吸能效率的薄壁结构在（汽车、船舶及航空航天）运载工具中得到了广泛的应用。因此，本团队采用实验、仿真及理论分析等方法开展了防护结构的耐撞性研究，其主要有以下几个方向。

　　(1)多孔超轻材料结构及其力学特性

　　多孔材料是一种由相互贯通或封闭孔洞构成网络结构的材料，它能较好的提高结构的强度和刚度等机械性能，并能降低相对密度，有利于实现轻量化设计。与薄壁结构复合成型后，多孔材料的变形能够在薄壁结构的引导下发生有规律的变形，使得其在多角度冲击工况下也具有很高的吸能能力，并且，薄壁与多孔材料之间的交互作用能使其在碰撞过程中吸收更多的能量。因此，团队以多孔材料为研究对象，研究它在压缩、弯曲及高速冲击下的耐撞性（图1）。

　　图1.多孔超轻材料复合设计

　　(2)金属与纤维材料结构的一体化设计

　　纤维材料是最古老的结构材料之一(如木材)，其具有模量高，密度低、比性能高及轻质化等优点，在各个领域都有广泛的应用。并且，纤维材料的孔隙与分层结构对其在碰撞过程中的变形及吸能有重要影响。因此，团队开展纤维材料（生物纤维，碳纤维等）与金属材料一体化设计，充分发挥两者的变形吸能优势，以金属材料引导纤维材料的变形，以纤维材料的力学优势来提高结构的整体吸能性。图2.为团队目前开展的相关研究。

　　图2.金属与纤维混合材料复合试验

　　(3)仿生层级材料结构的耐撞性研究

　　自然界中的生物结构的多功能性与高比性能与其微观结构的层级组织方式密不可分。因此，团队采用微观仿生设计方法，对生物结构的微观结构进行仿生分形设计，以此获得具有较高耐撞性的层级分形(顶点分形、边分形与面分形)结构，并采用试验、仿真、理论分析方法充分调查与发掘层级分形结构的吸能潜能。图3为团队在层级结构方面的相关研究。

　　图3.仿生材料结构耐撞性研究

　　(4)新能源汽车电池包安全性分析

　　近年来，随着新能源汽车的保有量逐年增长，新能源汽车的安全性问题也逐渐突显出来。与传统汽车不同，新能源汽车具有它所独有的安全性问题——动力锂电池的防护，电池包箱体结构的安全性已成为新能源汽车安全性的重要分支。因此，团队也对新能源锂电池的力学性能展开了相应的研究，通过仿真和试验相结合的手段，建立有效准确的电池包有限元模型，研究了动力电池在挤压载荷条件下的变形响应特性及其内部短路与失效，为进一步探索电池包防护结构的研究打下基础。图4为相关研究。

　　图4.电池单体及电池包的数值分析

　　二、客车车身安全及轻量化多学科优化设计

　　客车是主要的公共交通运输工具之一，一旦发生侧翻事故将造成大量的人员伤亡。因此，课题组与厦门金龙联合汽车有限公司共同开展轻量化车身防护结构的研究，结合课题组在防护结构方面的研究成果，开展了客车车身的模块化设计、车顶抗压与侧翻安全、多材料混合设计研究，并采用多学科数值优化方法来实现了客车的轻量化，图5为相关研究。

　　图5.客车车身的多学科设计

　　相关试验设备

　　团队一直从事轻质结构的碰撞安全性及结构轻量化的设计和研究。团队目前具有良好的试件加工及材料力学性能测试设备，能实现材料物性参数测试、材料动静态力学性能测试及材料变形过程的数值仿真建模、仿真结果验证、仿真结果应用等多项功能，实现不同尺度下材料的物理建模和数值仿真，试件加工成形与力学测试实验设备包括如下：

　　图6.试件加工设备

　　图7.材料性能测试系统

　　近五年团队发表文章

　　[1].Zhang Y, Xu X, Sun G, et al. Nondeterministic optimization of tapered sandwich column for crashworthiness[J]. Thin-Walled Structures, 2018, 122:193-207.（ESI高被引）

　　[2].Wang J, Zhang Y, He N, et al. Crashworthiness behavior of Koch fractal structures[J]. Materials & Design, 2018, 144：229-244.

　　[3].Zhang Y, Xu X, Liu S, et al. Crashworthiness design for bi-graded composite circular structures[J]. Construction and Building Materials, 2018, 168:633-649.

　　[4].Xu X, Zhang Y, Wang J, et al. Crashworthiness design of novel hierarchical hexagonal columns[J]. Composite Structures, 2018, 194:36-48.

　　[5].Zhang Y, Xu X, Wang J, et al. Crushing analysis for novel bio-inspired hierarchical circular structures subjected to axial load[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2018, 140:407-431.

　　[6].Zhang, Y, Wang J, Wang C, et al. Crashworthiness of bionic fractal hierarchical structures. Materials & Design, 2018. 158: 147-159.

　　[7].Zhang Y, Lu M, Sun G, et al. On functionally graded composite structures for crashworthiness[J]. Composite Structures, 2015, 132:393-405.

　　[8].Zhang Y, Lu M, Wang C H, et al. Out-of-plane crashworthiness of bio-inspired self-similar regular hierarchical honeycombs[J]. Composite Structures, 2016, 144:1-13.

　　[9].Zhang Y, Sun G, Xu X, et al. Multi-objective crashworthiness optimization of hollow and conical tubes for multiple load cases[J]. Thin-Walled Structures, 2014, 82:331-342.

　　[10].Yong Zhang, Jin Wang, Teng teng Chen, et al. On crashworthiness design of double conical structures under oblique load[J]. Int. J. Vehicle Design, 2018, 76:21-44.

　　[11].Zhang Y, Ge P, Lu M, et al. Crashworthiness study for multi-cell composite filling structures[J]. International Journal of Crashworthiness, 2017:1-15.

　　[12].Zhang Y, Xu X, Lu M, et al. Enhance crashworthiness of composite structures using gradient honeycomb material[J]. International Journal of Crashworthiness, 2017:1-12.

　　[13].张勇, 刘舒然, 赖雄鸣, 等. 泡沫填充薄壁结构的抗弯性分析及多目标优化设计[J]. 机械工程学报, 2016, 24：116-122.

　　[14].张勇,徐翔,李奇,等.新颖变截面多胞薄壁结构的耐撞性研究[J].中国公路学报, 2017, 7:152-158.

　　[15].闫晓刚,张勇,林继铭,等.新颖圆形多胞复合填充结构的耐撞性[J].复合材料学报, 2018, 35(08):190-200.

　　[16].张勇,蔡检明,赖雄鸣.异面撞击载荷下金属蜂窝填充薄壁结构的动态力学性能[J].中国公路学报, 2015, 28(1):121-126.

　　[17].何宁，张勇，陈腾腾，林继铭，徐 翔.窗型多壁结构的耐撞性研究[J].机械工程学报. 2019（待刊）.

　　近5年已授权的发明专利

　　[1].张勇，徐翔，鲁明皓，赖雄鸣，曾意，一种组合式缓冲吸能装置，2018.10.16，中国，ZL20161005241.0。

　　[2].张勇，刘舒然，傅莹，李奇，赖雄鸣，一种货车侧面防撞吸能装置，2017.04.12，中国，ZL201420387931.2。

　　[3].张勇，葛平政，鲁明皓，林天良，胡中伟，一种兼具多种吸能形式的碰撞吸能装置和用途，2017.01.11，中国，ZL201510004545.4。

　　[4].张勇，葛平政，鲁明皓，林天良，胡中伟，碰撞复合吸能装置和用途，2016.11.02，中国，ZL201510004543.5。

　　[5].张勇，周莎，一种多角度落锤冲击装置及其试验台，2016.05.18，中国，ZL201310746237.X。

　　[6].张勇，李奇,刘舒然，周莎，林青霄，汽车碰撞自适应多级缓冲吸能装置及控制方法,，2016.03.30，中国，ZL201410298011.2。

　　[7].张勇，林青霄，一种兼具碰撞兼容性与通过性的缓冲吸能防撞装置，2016.02.24，中国，ZL201320880809.9

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