多胞薄壁结构横向弯曲力学行为与吸能特性研究

摘要

多胞薄壁结构由于其具有轻质、优异的力学和能量吸收性能，被广泛的用作能量吸收构件应用于运载工程和安全防护领域。大量的理论、实验和数值研究证明多胞薄壁结构在轴向压溃下具有出色的能量吸收能力和效率。然而目前，关于其横向弯曲响应的研究十分欠缺，少量数值研究表明横向弯曲条件下多胞薄壁梁同样具有优良的吸能特性，而对其弯曲性能的实验和理论研究尚未发现。本文基于实验、理论和数值方法，对多胞薄壁管的弯曲力学行为和能量吸收性能进行研究，为多胞薄壁管在实际工程领域的应用提供理论支撑。本文的主要研究内容如下： （1）研究了两种不同构型（分别在轴向和截面内引入隔板）多胞管的弯曲吸能特性。采用非线性有限元程序LS-DYNA对多胞管的三点弯曲过程进行数值模拟仿真，并通过实验进行了对比分析，验证了数值模型的可靠性。通过参数化分析对各种不同因素，包括：隔板数目、载荷条件及几何构型的影响进行了研究。结果表明：隔板数目对多胞管弯曲性能有显著影响，但隔板的数目并不是越多越好，合理的增加隔板能有效提高结构的能量吸收效率。针对不同几何构型的多胞管，给出了最优的结构配置，为横向弯曲条件下多胞管的设计提供依据。 （2）针对多胞管弯曲响应理论模型的欠缺，提出采用两种理论方法：量纲分析法和能量分析法，对多胞管的弯曲性能进行了理论分析和预测。首先通过数值方法对不同尺寸的两胞管的弯曲响应进行了参数化研究。借助量纲分析方法推导出与截面宽厚比、流动应力和弯曲转角有关的弯矩响应预测公式。同时基于Kecman的弯曲理论模型，建立了两胞管的弯曲变形和能量耗散分析模型。根据系统能量平衡并利用量纲分析的结果，给出了基于变形分析的两胞管弯矩响应预测公式。采用数值方法对多胞管的纯弯曲过程进行模拟，并与两种理论分析方法的预测结果进行对比，结果表明数值模拟结果与理论预测吻合良好。上述理论方法对于其他截面多胞管同样适用，并对四胞管的弯曲响应进行了良好的预测。 （3）考虑到挤压多胞管制备上的局限，通过实验和数值方法对一种易制备的粘接多胞管的弯曲行为进行了研究，分析了在三点弯曲下的变形模式和能量吸收性能。实验结果表明，粘接多胞管是否脱粘与结构配置方式有关。不发生脱粘时，多胞管性能与挤压多胞管基本一致；即使发生脱粘，一般情况下由于粘接的作用，粘接多胞管的能量吸收性能亦要优于其基本构成单胞管的总和。采用数值模拟方法对粘接多胞管三点弯曲实验进行了模拟仿真，并通过三种不同接触条件对多胞管的粘接界面进行了模拟对比，计算结果与实验的变形模式和载荷响应结果基本一致。此外，还对粘接多胞管与同等质量的泡沫填充管的弯曲能量吸收性能进行了对比分析。研究结果表明，未出现明显的粘接脱开时，粘接多胞管具有与挤压多胞管类似的吸能特性，并拥有良好的截面灵活性和低成本优势。

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