轴向冲击载荷下梯度薄壁圆管的动力响应

摘要

薄壁圆管作为一种比较常见的能量吸收构件，具有自身结构稳定，在轴向载荷下发生褶皱屈曲变形，屈曲压实过程能量吸收可控的优点，因此被广泛的应用于车辆安全、施工工程等与碰撞安全密切相关的领域。
　　对轴向载荷下薄壁圆管的屈曲变形行为的研究从上个世纪60年代开始陆续出现，但这些文献大多针对均匀壁厚的薄壁圆管的褶皱变形形态开展实验及理论分析研究，而对梯度圆管在动态载荷下的动力响应行为却鲜有报道。近年来关于泡沫材料轴向冲击过程中的冲击波模型研究的大量涌现，为轴向冲击载荷下薄壁圆管动力响应的研究模型的建立提供了新的思路。本文通过对动态载荷下均匀壁厚圆管屈曲变形的研究分析，将冲击波模型应用于圆管在轴向冲击下的变形过程，分析了薄壁圆管轴向冲击下的动力响应特征及吸能缓冲特性。将理论模型与有限元模拟结果对比发现直接使用薄壁圆管初始壁厚并不能很好地预测结构变形过程中配重块的速度变化规律，将模型中使用的圆管壁厚修正为其在屈曲变形过程中实际压实的壁厚，得到修正后的理论模型计算结果与有限元模拟结果吻合较好，证明了修正后的理论模型能够较好地预测轴向动态载荷下薄壁圆管的动力响应。在均匀壁厚圆管的冲击波模型的基础上，本文提出了外径不变，壁厚随圆管轴向变化的梯度圆管。当梯度圆管薄壁侧为冲击端时，冲击过程中的屈曲褶皱会从冲击端产生；而当梯度圆管厚壁侧为冲击端时，圆管两侧都会产生屈曲变形，本文对这两种工况下分别进行理论推导和有限元模拟，并分析了无量纲参数（质量比、厚径比、梯度参数）对结构吸能特性的影响。可以得到的结论包括：使用冲击波模型可以较好地预测轴向冲击载荷下均匀和梯度薄壁圆管的缓冲吸能过程；梯度圆管的缓冲吸能特性优于均匀圆管，且圆管壁厚差越大，缓冲吸能性能越好。

目录

声明

符号说明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究现状

1.2.1 薄壁圆管轴向屈曲研究现状

1.2.2 泡沫材料的冲击波模型研究现状

1.3 本文研究内容

第二章 均匀圆管轴向动力屈曲

2.1 圆管轴向屈曲分析

2.2 均匀泡沫材料的冲击波模型

2.3 圆管轴向动力屈曲中的冲击波模型

2.3.1 理论模型

2.3.2 量纲分析

2.4 有限元模拟结果与讨论

2.4.1 有限元模型

2.4.2有限元模拟结果

2.4.3 理论模型的修正

2.5 本章小结

第三章 梯度圆管轴向动力屈曲

3.1 梯度圆管

3.2单波模型

3.2.1 理论模型

3.2.2 参数分析

3.2.3 有限元模拟

3.3 双波模型

3.3.1 理论模型

3.3.2 有限元模拟

3.4 本章小结

全文总结与展望

参考文献

致谢

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