折纹管的能量吸收机理研究

摘要

薄壁管件是一种被广泛使用的能量吸收构件，常见的包括:三角管、方管、六边形管和八边形管等多边形管件。然而，这些转统管件通常表现出两个缺点，一是它们的峰值载荷较高，这会对受保护的乘客和货物造成严重的伤害;二是它们的变形模式都是“自然模式”或者说是“天然模式”，这极大的限制了它们的能量吸收能力。因此，研究人员提出了多种方法以改进这些传统管件的耐撞性，其中包括在将直管改为锥形管，在管壁引入压痕、窗口和图案等等。前期的研究结果显示，图案的合理引入可以有效的提升管件的耐撞性能。本文研究了一种基于刚性折纸概念的新型折纹管，这种结构的设计思路为:在方管的管壁上引入一种特殊设计的折纹图案，通过这种图案的引入起到减小峰值载荷和提高平均载荷的作用。
　　本文基于理论分析、试验和数值分析方法研究了折纹管在受到不同载荷（包括不同加载方向:轴向和斜向;以及不同速度:准静态和低速冲击）作用时的能量吸收机理。重点开展了折纹管在准静态轴压下的平均力理论预测，设计了实验，分析并验证了传统超折叠单元理论在少数情况下误差增大的形成机制;还开展了折纹管的多种变形模式分析，发展了缺陷敏感性分析方法，发现能量吸收性能优异的完全钻石模式变形因对缺陷敏感不易发生，在此基础上，提出一种隔板式抗缺陷折纹管;最后提出了一种含有梯形折叠叶片的新型梯形折纹管，其能量吸收性能远优于普通方管、八边形管和钻石形折纹管。具体研究内容和成果如下:
　　1.基于超折叠单元理论，推导了折纹管发生完全钻石模式变形时的平均载荷预测公式。为了验证公式预测的准确性，设计了三种不同结构折纹管的准静态试验，用以验证数值计算的准确性。通过数值结果与理论公式预测结果的对比可以发现，平均载荷公式能够准确预测到大部分几何范围内折纹管的平均力值。而针对平均载荷预测公式在少量折纹管几何范围内预测不准确的问题，利用试验和数值的手段进行误差分析。分析结果显示折纹管中被假设为“刚性平面”的两个代表性区域所吸收的能量占折纹管耗散总能量的10％，进而造成了传统超折叠单元理论适用性下降的情况。另外，试验和数值分析还可以得到如下结论:第一，完全钻石模式在准静态载荷条件下对缺陷不敏感;第二，单胞较长的折纹管的能量吸收性能要优于单胞较短的折纹管。（具体内容见第二章）
　　2.对三十一个折纹管（包括两种不同几何）和两个传统方管进行低速冲击试验。试验结果显示，除了完全钻石模式，试验中还发现了两种新的变形模式，它们是局部失稳模式和对称模式。通过对这三种不同变形模式的对比可以发现，完全钻石模式的性能是最优的，而对称模式的性能最差。为了进一步研究这三种变形模式的变形和吸能机理，分析了局部失稳对平均力的影响，结果表明，随着失稳点数量的增加，平均力随之下降。通过对试验结果的对比分析可知，折纹管比普通方管有更好的能量吸收性能。另外，在不同折纹管的对比中，低速冲击试验得到了与之前准静态试验相似的结论:有比较长单胞的折纹管的平均载荷要高于比较短单胞的折纹管。（具体内容见第三章）
　　3.之前的低速冲击试验结果表明，在几何缺陷的影响下，折纹管倾向于发生平均载荷比较低的对称模式变形而不是预想的完全钻石模式变形。因此，本文用数值的方法研究了折纹管的缺陷敏感性。具体如下:首先，在数值模型中引入用于代替真实缺陷的几何缺陷以引导折纹管发生对称模式变形。数值结果显示，结构的比吸能SEA随着缺陷Ai的增加而减小。同时，数值计算还获得了临界缺陷的大小，当缺陷幅值达到临界缺陷时，折纹管恰好能够发生对称模式变形;接下来，详细的参数研究显示，合适的几何可以引导带有缺陷的折纹管发生更为稳定的完全钻石模式变形，即可以提升折纹管的顺从性。最后，提出了一种带有加强隔板的折纹管，并用数值方法验证了这是一种低缺陷敏感性结构，同时获得了最优厚度比t1/t。（具体内容见第四章）
　　4.通过数值方法研究了折纹管在斜向冲击载荷作用下的能量吸收性能，相同重量和表面积的方管作为对比标准。结果显示，相比普通方管，在大部分载荷角度下，折纹管有更好的能量吸收性能。另外，对折纹管进行了详细的参数研究（包括:管子长度L，宽度b，单胞长度l以及折纹宽度c），研究结果给出了这些关键参数对折纹管在斜向冲击载荷作用下能量吸收性能的影响。另外，考虑到有大长细比的竹子结构能够有效地抵抗风载荷，研究了一种带有加强隔板的折纹管在斜向冲击载荷作用下的能量吸收性能。结合参数研究的结果，给出了一种最优几何形状的带加强隔板的折纹管，结果显示，这种最优结构相比于原始设计有更好的能量吸收性能。（具体内容见第五章）
　　5.提出了一种新型的梯形折纹管。与原始折纹管类似，梯形折纹管的设计理念也是需要在普通方管的表面引入一种精心设计的可展的折纹图案，这种图案的关键结构被称为梯形折叠叶片。这种折叠叶片有两个作用，一方面，它被当作是几何缺陷以降低峰值载荷，另一方面，它也可以被用于引导折纹管发生完全钻石模式变形。数值结果显示，它能有效的引导梯形折纹管发生完全钻石模式变形。另外，几何和顺从性分析的结果表明，三个关键的几何参数:单胞的数量M，二面角θ以及面积比例ω能够影响梯形折纹管的坍塌行为。基于如上分析得到了一种最优几何的梯形折纹管，并将其与相同重量的普通方管和八边形管和原始折纹管作对比。结果显示，这种梯形折纹管的能量吸收性能是最优的。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 金属薄壁管的耐撞性

1．1．2 折纸结构

1．2 传统薄壁直管能量吸收性能综述

1．2．1 能量吸收性能评价指标

1．2．2 三角管

1．2．3 四边形管

1．2．4 六边形管

1．2．5 八边形管

1．2．6 圆管

1．2．7 传统金属薄壁直管能量吸收性能对比

1．3 其它形式薄壁结构

1．3．1 锥形管

1．3．2 多胞管

1．3．3 表面不连续管

1．4 本文研究思路

2 折纹管在准静态轴压作用下的能量吸收机理研究

2．1 超折叠单元理论

2．2 折纹管的几何及设计原理

2．3 折纹管平均力预测公式的推导

2．4 折纹管的准静态试验和数值计算

2．4．1 试验件的几何及制作

2．4．2 准静态试验系统

2．4．3 材料试验

2．4．4 有限元模型

2．4．5 准静态试验和数值结果

2．5 折纹管在准静态轴压下的结果分析

2．5．1 不同折纹管对比分析

2．5．2 平均力预测公式的验证和分析

2．5．3 平均力预测公式的误差分析

2．6 本章小结

3 折纹管在低速冲击载荷作用下的能量吸收机理研究

3．1 低速落锤试验系统

3．2 试验件几何信息和加载条件

3．3 低速落锤试验结果

3．3．1 试验数据的验证

3．3．2 完全钻石模式

3．3．3 局部失稳模式

3．3．4 对称模式

3．4 低速落锤试验结果分析

3．4．1 变形模式的性能分析

3．4．2 变形模式的机理研究

3．4．3 不同折纹管及其与方管的对比分析

3．5 本章小结

4 折纹管在几何缺陷影响下的能量吸收机理研究

4．1 引言

4．2 研究目的

4．3 数值计算

4．3．1 有限元模型

4．3．2 几何缺陷

4．4 数值计算结果和分析

4．4．1 缺陷幅值Ai／t的影响

4．4．2 带缺陷折纹管的参数分析

4．4．3 隔板式抗缺陷折纹管的缺陷敏感性分析

4．5 本章小结

5 折纹管在斜向冲击载荷作用下的能量吸收机理研究

5．1 引言

5．2 折纹管在斜向冲击下的有限元模型

5．3 折纹管在斜向冲击下的数值结果

5．3．1 数值仿真的结果验证

5．3．2 不同载荷角度下折纹管和方管的变形模式

5．4 折纹管在斜向冲击下的结果分析

5．4．1 不同载荷角度下折纹管和方管的对比分析

5．4．2 斜向冲击载荷作用下的参数分析

5．5 隔板式折纹管在斜向冲击载荷作用下的能量吸收性能分析

5．5．1 t1／t的影响

5．5．2 带隔板折纹管在组装约束条件下的最优几何

5．5．3 带隔板折纹管的制造

5．6 本章小结

6 梯形折纹管在轴压载荷作用下的能量吸收机理研究

6．1 引言

6．2 梯形折纹管的设计

6．2．1 梯形折纹管的几何形状

6．2．2 折纹管与普通管件的几何关系

6．3 梯形折纹管的数值计算

6．3．1 计算模型

6．3．2 冲击场景

6．4 梯形折纹管的数值计算结果

6．4．1 对称模型和全模型

6．4．2 网格收敛性验证

6．4．3 变形模式和平均力

6．5 梯形折纹管的数值计算结果分析

6．5．1 梯形折纹管的参数分析

6．5．2 梯形折纹管的顺从性分析

6．5．3 梯形折纹管与传统管件对比分析

6．5．4 梯形折纹管与钻石形折纹管对比分析

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介