（一般力学与力学基础专业论文）轻质薄壁金属结构冲击吸能性与数值研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 金属薄壁吸能结构耐撞性设计广泛应用于飞机，汽车，铁路列车和轮船等交通工具 的碰撞动能耗散系统的设计中，因此对于各种不同形式的金属薄壁结构吸能性研究成为 当今的热点。 本文受国家自然科学基金项目( 1 0 3 3 2 0 1 0 ，1 0 7 2 1 0 6 2 ) 和国家重点基础研究发展计划 项目( 2 0 0 6 c b 6 0 1 2 0 5 ) 资助，以轻质金属薄壁结构为研究对象，提出了新型的吸能性结构 形式，旨在研究其瞬态轴压冲击荷载下的变形模式及吸能性。 具体内容包括： ( 1 ) 系统介绍和分析了关于金属圆柱壳轴压理论模型。对三种同截面的薄壁金属结 构进行动态轴压的数值模拟，分析对比了其变形模式及吸能性。 ( 2 ) 针对大变形、大应变的复合式结构受撞击吸能的复杂的过程，进行了数值分析， 运用非线性有限元理论建立了数值分析模型研究了设想的吸能式桁架式夹层金属圆 柱管模型在轴向撞击载荷下的能量吸收特性，在不同的速率下，按照不同的内部桁架结 构研究了复合式吸能管的吸能性能的影响因素，数值模拟为复合吸能式金属圆柱管的设 计和研究提供了有价值的参考。 ( 3 ) 基于断裂力学方面的相关理论，选择相应的断裂准则，提出了带裂缝圆管的数 值分析模型。进行了相应的非线性动态轴压的变形破坏模式的预测与分析及数值模拟。 关键词：撞击；有限元；能量吸收；桁架式夹层圆柱管；仿真；裂纹 轻质薄壁金属结构冲击吸能性与数值研究 e n e r g y - a b s o r b i n ga n d n u m e r i c a ls t l j d yo nl i g h tw e i g h tt h i n - w a l l e d m e t a ls t n j c t l l r e s a b s t r a c t e n e r g y - a b s o r b i n g ，t h i n - w a l l e d ，i m p a c t - r e s i s 觚m 晚ds t r 咖s h a v eb e e nw i d e l yl l s e d i na j r c r a r s ，a u t o m o b i l e s ，t r a i n sa n ds 1 1 i p sa n do m e rt r a n s p o 咖i o na p p a r a t 吣a sm ep a r t so f e n e r g yd i s s i p a t i o no fi i n p a c tk i n e t i ce n e r g y t h e r e f o r e ，e x t e n s i v ea t t e n t i o n sh a v eb e e n o np e 渤肌a 1 1 c ei n v e s t i g a t i o n so fe n e r g ya b s o 印t i o no f 谢o u sf o 肌so f “n - w a l l e dm e t a l s t i u c n l r e s t 【l i sm e s i si sf m l d e db y ，n l en a t i o n a ls c i e i l c ef o u r l d a t i o no f c l l i n a ( p r o j e c t s1 0 3 3 2 0 1 0 ， 1 0 7 2 1 0 6 2 ) 锄d1 1 1 en a t i o m lb 嬲i cr e s e a r c hp r o 伊锄o fc l l i n a ( p r o j e c t2 0 0 6 c b 6 0 1 2 0 5 ) t l l e l i g h t - 、v e i g h t ，t l l i n - w a l l e dm e t a ls t m c t u r e sa r es t u d i e di nt l l i sp a p e r an e wt ) ，p eo fe n e r g y a b s o r b i n gs t r u c t u r ei sp r o p o s e dt oi n v e s t i g a t et l l es t m c t u r a ld e f b r n l a t i o nm e c h a n i s ma n d e n e r g ya b s o 印t i o nu i l d e rt 眦s i e n ta x i a l l yc o m p r e s s i v ei n l p a c tl o a d i n g s t h er e s e a r c hw o r kc a nb es u m m a r i z e d 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) s y s t e md e s c r i p t i o n 踟1 d 鲫【a l y s i so f m e o r e t i c a l l o d e l so fc y l i n “c a lm e t a ls h i e l lu i l d e r a x i a lc o m p r e s s i v el o a d i n g s ，a r l dn 啪e r i c a ls i m u l a t i o n sf o rt i l r e et l l i n - 、v a l l e dm e t a l 妯m c n l r e s p o s s e s s i n gt l l es a n l ec r o s s s e c t i o n a la r e a sl o a d e db yt r a l l s i e n ta ) 【i a lp r e s s u r e s t h ep a t t e m so f d e f b m l a t i o na 1 1 dp e r f o m a i l c e so fe n e r g ya b s o 印t i o na r ec o m p a r e da i l da n a l y z e d ，r e s p e c t i v e l y ( 2 ) n 哪e r i c a ls i m u l a t i o n f o rc o m p l i c 种e de n e r g ya _ b s o 单t i o no fa 伽j s s - r e i i l f o r c e d s a i l d w i c h - t y p ec y l i n d e rt u b ew i t hl a r g ed i s p l a c e m e n ta i l dl a r g es t r a i n t h em l m e r i c a lm o d e l i s e s t a b l i s h e db 2 l s e do n 吐l ei l o i l l i n e a rf i i l i t ee l e m e n t 也e o 巧t h ep r o p e r t yo fe n e r g ya b s o 印t i o n u n d e ra ) 【i a li m p a c tl o a d i n g si si n v e s t i g a t e d 谢t hm ep r o p o s e dm o d e l v a r i o u si n l p a c ts p e e d s a i l di n t e m a lt m s sl a y o u t sa r eu s e dt os t u d yh o wt l l e ya 虢c tt l l ec a p a b i l i t yo fe n e r g ya b s o 叩t i o n o ft h ec o m p o u l l dt u b e t h en u i i l e r i c a lr e s u l t sp r c s e n tav a l u a b l er e f e r e n c et od e s i g nl i g h t 、i g h tc o m p o s i t c 蛐n j c t u r e sw i t ht h eb e s tp e r f o m a n c eo fe n e r g ya b s o r p t i o nu n d e ri r n p a c t c i r c u m s l 触c e ( 3 ) n 眦e r i c a lm o d e l i n go fac y l i n d e rt u b e 、析t l l af i l l i t cl e n g t l lo fc r a c ki sp r e s e n t e d b a s e do nt l l e 丘a c t u r em e c h a i l i c st l l e o 巧谢t l la i l 印p r o p r i a t cc r i t e r i o nf o r 仔a c t u 】r e t h e d e f o m a t i o na 1 1 dd 锄a g ea r ep r e d i c t e da 1 1 dm l m e r i c a l l ya n a l y z e dc o n s i d e m gn o n l i n e a r t r a i l s i e n ta x i a lc o m p r c s s i v el o a d i n g s k e yw o r d s ：i m p a m ；f i l l i t ee l e m e n t ；e n e r g yd i s s i p a t i o n ；1 i u s s - r e i o r c e ds a i l d w i c h - t y p e ； c y l i n d e rt u b e ；s i m u l a t i o n ；c r a c k i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 幺趁日期：2 。丝2 ：么：歹 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士 学位论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门 或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 作者签名：么数 导师签名：趔毖 迸年月三日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1结构耐撞性与吸能性研究 结构耐撞性研究( s 仃u c t u r a lc r 硒h 、o r t l l i n e s sr e s e a r c h ) 是研究碰撞和能量吸收的一门 新兴学科。在可能发生的碰撞事件中，结构或构件对乘客或装载物实施保护的能力就是 结构的耐撞性。在碰撞过后如果结构及其乘客或装载物的损伤越小，则结构的耐撞性就 越高。在实际工程应用中，由于安全保护的需要，高速公路护栏，航天飞行器，海洋平 台，核电站及各种海陆空交通工具：轮船，飞机，火车，汽车等，都必须满足一定的耐 撞性要求。近年来我国开展的“神州号载人飞船返回着陆时人体生物力学和伤害防护 方面的研究，其中的重要内容就是改善宇航员躺椅的冲击吸能性能【2 】。汽车被动安全则 更是世界各国高度关注的问题。 一 耐撞性研究的核心问题是能量的吸收。一般在设计过程中需要遵循一些基本原则。 一，结构和材料应当能够大部分输入动能，并通过塑性变形或者其他耗散过程转换成非 弹性能，而不是以弹性方式将之储存。二，能量吸收器的峰值反作用力应当保持低于一 个阀值，在能量吸收结构大变形过程中，理想的反作用力应当尽可能保持恒定。理想地 说应具有一个近似矩形的力位移特性。再次，就是力所作的功等于其大小乘以沿力作 用线发生的位移，也就是行程。所以结果该结构要吸收的输入能量很大，行程应当足够 长，最后，为了应付不稳定的工作载荷，所以设计结构的变形模式和能量吸收能力应当 是稳定和可重复的，以确保结构在复杂工作条件下的可靠性。在碰撞过程中，冲击动能” 必须完全被吸收，如结构自身无法满足吸收全部碰撞动能的要求，则需要采用专门的结 构远见作为能量吸收装置。能量的吸收可采用多种方式：金属材料、各种蜂窝、泡沫多 孔材料等的塑性变形，复合材料等的断裂，结构的摩擦和粘性耗散等。本文主要研究金 属材料结构的能量吸收性能。 吸能元件耗散冲击能量可通过以下两种方式来实现：( 1 ) 结构发生极小变形；在撞 击载荷的作用下，结构并未发生大位移的压溃。尽管这种情况下冲击能也被耗散，但结 构及其内部组件将受到极强的冲量和冲击载荷。结构发生总体失稳破坏( c 粕t r o p h i c f a i l u r e ) ，或者刚性元件之间的碰撞都属于这种情况。( 2 ) 结构发生极大变形；在特定的 安全许可范围内，吸能元件发生不可逆破坏，随冲击事件的进行结构表现为从一端开始 渐进的压溃，并有很大的行程。此时，冲击能随着元件的渐进压溃而被均匀地耗散，瞬 时冲击载荷强度因而大大降低。为了满足碰撞安全性能以保障重要物品和人员不受过载 损伤，需要通过合理地设计和布置缓冲吸能元件从而保证结构能以最大的变形压溃。这 便是提高结构耐撞性能的正确途径，这就对吸能元件的设计提出了很高的要求。除了破 轻质薄壁金属结构冲击吸能性与数值研究 坏行程，通常还会对吸能元件的质量和结构形式等提出一定的要求。 ( 1 ) 质量要求 对特定结构，耐撞性能通常与其质量成正比。但是在很多情况下，通过增加结构的 质量或厚度等传统方法来改善耐撞性能的途径是不可取的。例如，增加车辆的质量必然 会带来燃油经济性和排放污染等方面的问题，造成因追求安全而牺牲的发射成本和制造 成本直接与其质量相关。为了满足结构耐撞性和安全的设计要求，而又不额外增加质量， 这一对矛盾促使人们不断探求性能优越的新型吸能材料和结构，以便更有效地在碰撞事 件中吸收冲击能量，保护重要结构和人员的安全。因此，在衡量能量吸收能力时一般要 把质量因素考虑进去。 ( 2 ) 结构形式要求 正因为对吸能元件有质量要求，在实际应用中吸能远见一般不是附加结构，而是与 其它结构整合在一起，并被保护的装置相匹配。例如车架结构，在车辆正常运行时是主 要的承载部件，在车辆碰撞时则作为主要的吸能元件耗散大部分的冲击能。薄壁结构是 汽车等交通工具中普遍存在的构件，在冲击条件下能够有效地吸收能量，是吸能元件的 主要结构形式。除结构的形状外，往往也需要考虑体积因素，采用体积比吸能( 单位体 积的能量吸收) 大的结构形式。 能够实现渐进破坏、发生极大变形的吸能结构有多种多样，根据具体的质量、结构 形式等设计要求，可以选择不同的材料( 如金属，高分子复合材料等) ，不同几何形状 ( 如圆柱管，方管，锥管，波纹结构等) ，不同的加工工艺( 如金属的热处理，复合材 料的成型工艺等) 的结构作为缓冲吸能元件【2 1 。其中，各种材质的薄壁圆柱壳是应用最 广泛的结构形式之一。 结构耐撞性优化设计问题是工程师和研究人员广泛关注的热点问题。相同质量的结 构如何具有更好的耐撞性能或相同的耐撞性条件下如何能使结构更轻，都是十分有现实 意义的问题。然而由于结构耐撞性问题的复杂性，材料非线性、几何大变形、接触等高 度非线性特征使传统的基于敏度的优化方法在求解上遇到很大困难。由于一次有限元分 析的耗时很长( 尤其对于复杂结构) ，而不允许有过多的分析次数。这些都迫使研究人 员采用另外的代理优化方法一响应面法。响应面法是一种试验设计与数理统计相结合 的近似优化方法。通过对一组基于试验设计方法选定的设计点进行结构分析，然后采用 回归分析技术拟合分析结果，得到优化设计问题的“近似问题，最后求解这个近似问 题得到最优结果。由于响应面方法是一种近似优化方法，因此其求解精度不高。为了使 优化结果达到更好的精度可以采用序列响应面法。通过对设计域不断地调整和修正，序 列响应面方法可以达到指定的精度范围。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 圆柱壳轴向吸能性研究及其在碰撞安全领域的应用 薄壁圆柱壳轴向冲击吸能的研究主要是为车辆碰撞安全设计、飞行器回收等领域提 供技术储备和服务，因此具有以下显著特点：( 1 ) 低速、高动能冲击；车辆碰撞事故多 在5 0 l 【i 】讹( 1 4 “s ) 左右的速度下发生，但是由于车辆自重较大，中等重量的轿车的冲 击动能即可达到1 5 0 k j 。再如，飞行器的回收一般要经过降落伞减速和反推火箭制动良 机作用，实际着陆速度一般低于5 i i l s ，但飞行器的自重决定了冲击动能较大。这类冲击 事件中结构的应变率在1 0 0 s 以下【2 】。( 2 ) 纵深渐进破坏；与弹体冲击、爆炸加载等高速 冲击产生的侵彻( p e n e 似i o n ) 、穿透( p e 墒r a t i o n ) 等冲击问题不同，本领域的研究是 针对可能发生的冲击事件和特定的冲击能量，通过合理设计结构使之在较长的压缩区域 渐进破坏，使得能量在整个冲击过程中均匀地耗散。这一过程称为“纵深渐进破坏 ( 1 0 n g i n l d i n a lp r o g r e s s i v ed 锄a g e ) 。可见，这类研究是以破坏形式和能量吸收为研究重 点的j 1 2 1圆柱壳轴向冲击吸能的研究 一+ 4 ( 1 ) 复合材料圆柱壳结构；复合材料具有比强度高、比刚度大、比吸能强、可设计 好等优点，已广泛地应用于航空航天、交通运输、建筑建材等领域。像碳纤维环氧这样 的复合材料是典型的脆性材料，在发生断裂之前通常表现为线弹性，而没有塑性屈服阶 段。这使得复合材料对冲击损伤很敏感。但是，如果合理地设计并引导破坏进程，复合 材料结构能够以可控的方式吸收大量冲击能量。 ， 2 0 世纪七八十年代以来，以n a s a 的l a i l 9 1 e y 研究中心、f o r d 汽车公司、英国的 利物浦大学( u n i v e r s i 锣o f l i v e 0 0 1 ) 、美国的密歇根大学( u m v e r s 时o f m i c h i g a l l ) 、日 本的京都工业大学( k y o t 0i n s t i t u t eo ft e c l l i l o l o g y ) 、法国的国家运输和安全研究院 ( f r e n c hn a t i o n a li n s t i t u t ef o rt r a i l s p o 眦i o na n ds a f e 够r e s e a r c h ) 【6 j 为代表的一些研究机 构对复合材料圆柱壳的能量吸收性能进行了一系列深入研究。国内从9 0 年代中后期也 做了一些工作。大量研究表明，经过合理设计，这类吸能结构具有可控制的破坏模式， 较平稳的压缩载荷，是优异的缓冲吸能元件。 一( 2 ) 金属圆柱壳机构；金属薄壁吸能结构耐撞性设计广泛应用于飞机，汽车，铁路 列车和轮船等几乎所有交通工具的碰撞动能耗散系统的设计中，薄壁金属管作为一种高 强重比，低成本，高吸能效率的结构，广泛运用于飞机，汽车，铁路列车和轮船等几乎 所有交通工具的碰撞动能耗散系统中。传统承载结构是以极限载荷除以安全设计系数为 设计依据，而金属薄壁吸能件主要是通过塑性变形来耗散冲击动能，受冲击载荷作用后 发生的总变形能量远远超过传统承载结构的变形量，因此设计方法和依据与传统结构不 轻质薄壁金属结构冲击吸能性与数值研究 i 司。 薄壁金属管轴向变形所储存的能量大约要比横向高一个数量级，因此研究薄壁金属 管在轴向冲击载荷作用下的动态特性是结构耐撞性领域的重要课题。人们很早就注意 到。金属圆柱管在轴压下一般有稳定的渐进破坏模式，通过塑性屈曲吸能。因此，金属 圆柱管是传统的缓冲吸能结构，也是应用最为广泛的缓冲吸能结构之一，即使像啤酒罐 这样的轻型结构受轴向冲击载荷的作用也能吸收可观的能量。 从2 0 世纪6 0 年代以来，国外学者通过理论计算，模拟和试验研究等技术手段，对 轴向载荷作用下的典型薄壁件的动，静态力学响应特性进行了广泛研究，随着车身耐撞 性研究的不断深入，在9 0 年代末，金属薄壁件轴压吸能这一经典问题再次引起研究者 们的广泛兴趣。1 9 6 0 年，a l e x a n d e r 【4 9 】首先建立了金属圆柱管轴向压缩能量吸收分析模 型，该模型与实验结果吻合较好。之后，很多研究者针对这一问题进行深入研究， a l e x 锄d e r 【4 9 】的经典文献被广泛引用，基于这一模型的分析也不断充实和发展。其中主要 的成果包括：由最初的静态塑性铰理论发展为移行塑性铰理论：由直链塑性铰发展为反 映真实构形的超叠缩单元；有最初的破坏形式全部外翻或内翻发展为含有偏心率效应的 模型，等等。特别是今年来由于含有偏心率效应模型的提出，以及开始将冲击条件下结 构的动态素性屈曲和动态渐进屈曲分别考虑，金属圆柱壳轴压吸能这一经典问题再次引 起研究者的广泛兴趣。本文主要针对金属圆柱管结构作了轴向撞击有限元模拟及耐撞性 和冲击吸能性的研究。 ( 3 ) 多材料体系圆柱壳结构；近年来还开展了多种材料组合体系的缓冲吸能结构的 研究。例如，r c i d ，h a n s s e n ，s a n t o s a 【2 3 - 2 5 】等人研究了内部填充轻质泡沫的金属管吸能体 系，发现由于泡沫和金属之间的相互作用效应，组合体系的吸能能力比单纯金属管和泡 沫都要强。m 锄a l i s ，g u p t a 等研究了内部填充泡沫的复合材料管的能量吸收特性。w e i 【2 4 j 等研究了两层同心金属圆柱管中间夹杂高分子材料的夹层结构的轴向压缩性能，发现结 构中三个部分之间的相互作用有利于结构的整体稳定性，并且整体结构的轴压强度比三 个部分单独的轴压强度之和高出1 0 3 0 。 1 2 2 圆柱壳结构在碰撞安全领域的应用 薄板，薄壳，薄壁梁等薄壁结构是自然界和工业界最基本的构筑单元。它的尺度分 布非常广，小到细胞膜、闭孔泡沫胞壁，大到飞机机身、冷却塔。降低负荷和节约构筑 材料是追求结构尽可能薄的主要原因。薄壁结构广泛应用于航天、汽车、机械、土木等 各个领域，其中金属薄壁结构，作为以一种低成本、高吸能效率的构件，广泛应用于飞 机、汽车、铁路列车和轮船等几乎所有交通工具的碰撞动能耗散系统中。 以汽车为例，“安全、节能、环保 是当代汽车发展的三大主题。任何质量的增加 大连理工大学硕士学位论文 都意味着消耗更多的燃料并对环境造成更多的污染。在车辆轻量化的反战趋势下。如何 合理的设计车身结构。有效的布置设计性能良好的缓冲吸能结构使汽车满足耐撞性要 求，是汽车设计与发展的重要课题。安全性与轻量化是当代汽车设计的发展趋势。然而 研究表明，汽车的碰撞安全性与汽车的质量成正比。如何既满足轻量化设计要求，又保 证碰撞安全性能，是汽车设计的重要课题。一个重要途径就是采用比吸能较高的材料和 结构作为碰撞能量的耗散装置。例如，奥迪a 6 型轿车采用铝合金圆柱管作为保险杠支 架，并与前纵梁相连，主要用于速度在2 0 砌办q 以下碰撞的能量吸收。同时，该结构 可以拆卸和更换。下图1 1 所示的是置于散热器前的能量吸收结构。 矮攘麓 釉 激热器 翁纵涩 麓霪吸牧绥构 图1 1 汽车前端的吸能结构 f i g 1 1e n e 强，一a b s o r b i n gs t r u c t u r ew h i c hi nt h ef 如n to fc 缸 英国的铁路研究院研制了图1 2 所示的耐撞性车厢，其中前端的缓冲区域安装两个 可更换式的g i 冲复合材料圆柱管，以确保在碰撞事故中耐撞结构以8 0 0 k n 的恒定载荷 均匀地吸收冲击能。在这类设计中，结构的破坏顺序和吸能路径必须按预定的标准可控 制地进行。 轻质薄壁金属结构冲击吸能性与数值研究 图1 2 耐撞性车厢 f i g 1 2c i i 船h w o n h i n e s so fc a 鹉 此外，针对汽车碰撞安全应用的吸收结构还有很多研究。硒t a g a 、a 1 4 3 4 8 】等人利用波 纹来控制边梁的变形模式，设计了三种波纹形式，优化设计出能量吸收最优的排布方式。 h a u g 等人进行了c a r b o n - k 奄v l 小心锄i d 混杂复合材料薄壁梁的碰撞仿真研究。o t u b u s h i n 利用非线性有限元研究了金属薄壁方管的碰撞性能。a l b e n i l l i 【4 9 】等人利用改进了的 h o p k i n s o n 杆试验装置模拟真实的汽车碰撞，研究了短结构薄壁吸能结构的冲击特性。 这类应用研究不胜枚举。 在军事及航天工程中，薄壁圆柱管也有很多重要的应用。f a r l e y 【2 】将复合材料圆柱 管应用到直升机的座椅下，用来吸收直升机在低空坠落时的冲击能量，以保护飞行员的 安全。当直升机在低空发生坠落事故时，冲击能量有一半都是通过底层地板结构吸收的。 传统的直升机的底层地板是可压溃的复合材料波纹梁等结构，其自身是不稳定的结构， 必须添加上下盖板；而圆柱管结构是自身稳定的结构，这使其在应用中更有优势。直升 机的地板可以设计成圆管加强梁结构，如图1 3 所示，通过调整壁厚、直径和管间距等 参数来获得满意的吸能效果。 航天领域中吸能结构也有很多应用。例如，美国a p o l l o 指挥舱【2 l 的着陆缓冲系统是 由6 根垂直方向布置的液压活塞机构和8 根水平双向铝蜂窝杆组成。液压活塞机构通过 大连理工大学硕士学位论文 黏性液体的阻尼吸收冲击能量。铝蜂窝则通过拉伸或压缩下的结构失稳，塑性变形和破 坏来吸收能量。美国“水星一号飞船【2 】作为应急着陆的返回舱上设置了多种缓冲装置： 缓冲气囊；由2 4 根不锈钢条组成的鼠笼状的可压缩结构；宇航员座椅下的密封舱底部 的蜂窝缓冲层。这类缓冲结构都可用轻质薄壁复合吸能结构来代替。 叛拜飞槐飘凳 图1 3 薄壁吸能结构在直升机中的应用 f i g 1 3t l l e 印p l i c a t i o no f1 1 1 i n w a l l e de n e 聊- a b s o r b i n gs 咖c t u 他i nt h eh e l i c o p t e r 1 3 能量吸收装置性能评价指标 对于不同的实际问题，能量吸收装置性能优劣的评价可以采用各种各样的指标。其 中比吸能( s p e c i f i ce n e r g ya b s o 叩t i o n ) 、压缩力效率( c m s hf o r c ee m c i e n c y ) 和冲程效率 ( s t o c ke m c i e n c y ) 是研究人员最常用的3 个评价指标【2 1 。本文我们采用这些指标及其它 一些特定的指标对普通圆管和特定的薄壁结构的吸能性能进行对比分析。 ( 1 ) 比吸能；在整个轴压缩过程中所吸收的能量( e ) 由作用力( f ) 对于发生的位移( 万) 积分得到，定义结构有效破坏长度内单位质量吸收的能量为比吸能s e a 。比吸能是衡量 结构能量吸收能力的最重要参数。其由能量除以结构质量定义： 轻质薄壁金属结构冲击吸能性与数值研究 删：坦 研 ( 1 1 ) 平均载荷( 艺) 等于总的能量吸收除以最终的压缩距离4 ，压缩力效率( c f e ) 则是评 价在载荷一致性的指标，定义为平均载荷与峰值载荷( c ) 的比值： c 咫：益：丝 ec 巧 ( 1 2 ) 在实际应用中，c f e 指标越高越好，理想能量吸收器的c f e 指标为l o o 。 冲程效率( s e ) 代表了能量吸收装置的可变性能力，当结构被压缩到一定距离砬时， 结构将处于“密实化状态，同时相应的载荷将达到非常高的值。因此只有在达到口之 前的压缩距离是可利用和有意义的，皿称为总效率。冲程效率定义为有效压缩距离谚与 结构总长度l 的比值。 h a i l s s e n 【5 刀等人定义了一个综合性能指标为总效率( t o t a le 币c i e n c y ) 。总效率( t e ) 是一个无量纲数，由压缩力效率c f e 和冲程效率s e 的乘积给出： 勉：c 冠舾：互垒 c 工 ( 1 3 ) 然而，h a n s s e n 【5 8 删等人定义的总效率中没有考虑结构的质量因素，因此我们类似 比吸能那样定义一个新的总效率指标，成为比总体效率( s p e c i f i ct o t a le m c i e n c y ) 即单 位质量的总效率： 册：丝：些 聊 ( 1 4 ) ( 2 ) 比载荷；试验过程中记录的往往是载荷位移曲线。当吸能结构的材质不同或者 结构形式不同时，从载荷曲线不能直观地比较单位结构的吸能或者承载能力。例如某金 属管的压缩载荷可能会比某复合材料管的高，这可能是因为金属管的管壁较厚、结构尺 寸较大或质量较大。应用比载荷曲线来代替载荷曲线则更为科学，更便于比较不同种 类可压缩结构的瞬时能量吸收。如果将试验过程中记录的瞬时载荷除以试件的截面a 与 其材料密度p 的乘积，就获得了比载荷： 黔等 m 5 ， 大连理工大学硕士学位论文 可见比载荷率除了结构几何和密度的因素。比载荷和比吸能的单位相同，但代表的 意义不同。比载荷可以理解为瞬时的比吸能。当比载荷表示为位移s 的函数时，有 1， 巨= 【c ( s ) 凼 l “ ( 1 6 ) 应用比吸能和比载荷便于比较不同的材料和结构形式的吸能元件( 金属管和多材料 体系圆柱壳) 进行压缩过程的横向比较。 ( 3 ) 引发长度和削弱长度；为了便于定量地研究引发阶段以及引发形式的效能，特 别提出引发长度厶和削弱长度l 的概念。将大到初始峰值载荷。时的轴向压缩长度定 义为引发长度。引发长度厶，通过载荷位移曲线确定。削弱长度则是指试件经过削弱处 理部分的长度，它是由试件的尺寸决定的，包括管壁厚度t ，削弱倒角角度和削弱形式 ( 单倒角或双倒角) 共同确定。 ( 4 ) 载荷效率和冲程效率；载荷效率和冲程效率分别定义为 彳e ：曼 ( 1 7 ) s e ：蔓 三 ( 1 8 ) 式中，c 和厶分别为峰值载荷，平均载荷和有效压缩冲程，如图1 4 所示 轻质薄壁金属结构冲击吸能性与数值研究 d s e = l ! l x 一 图1 4 压缩效率 f i g 1 4c m s hf o r c ee 伍c i e n c y 冲程效率是吸能元件初始长度与压实冲程长度的比率，比率高说明材料得到了有效 的利用。载荷效率是平均载荷与最高载荷的比值。载荷效率和冲程效率都可定义为压缩 效率或缓冲效率。元件的压缩效率也是工程设计人员比较关心的主要问题之一，因为在 很多情况下它会影响到整个结构的设计，在汽车和飞机的结构设计中，设计人员会优先 考虑单位质量吸能( 比吸能) 大、缓冲效率高的吸能元件。 ( 5 ) 其他参数；可根据具体的研究目的，定义其他一些参数，如初始峰值载荷匕， 压缩载荷的平稳度，破坏模式的稳定性等。 1 4 显式动力学有限元软件和理论简介 1 4 1 a n s y s l s d y n a 介绍 在冲击载荷作用下，金属薄壁结构的能量吸收过程是一个复杂的物理过程，包括了 材料非线性，几何大变形，接触等高度非线性问题。早期所作的薄壁结构的耐撞性研究 和能量吸收特性分析，主要采用试验研究和理论分析的方式。从2 0 世纪8 0 年代以来， 伴随显式有限元技术的快速发展，大量商业非线性有限元软件如： l s d 呵a 【i 川，心c r a s h ，a b q u s e x p l i c i t 等被广泛应用到耐撞性和能量吸收领域。 这些商业软件功能十分强大，能够充分考虑和模拟碰撞过程中的各种非线性现象。与理 论分析相比，有限元模拟具有可分析复杂大型结构以及采用更精确材料参数等的优势。 大连理工大学硕士学位论文 本文主要采用a n s y s l s d 、i a 对特定的薄壁金属结构的能量吸收特性进行数值模拟 研究。 a n s y s l s d 呵a 是大型商业化有限元软件a n s y s 的一个模块【例。用l s d 叮a 的显式算法能快速求解瞬时大变形动力学、大变形和多种非线性准静态问题以及复杂的 接触碰撞问题。使用本程序，可以使用a n s y s 建模，用l s d 呵a 做显式求解，然后 用标准的a n s y s 后处理来观察结果。 a n s y s l s d 叮a 程序利用a n s y s 强大的前后处理模块，具有多种自动网格划分， 井与大多数的c a d c a e 软件集成并有接口【2 。前处理部分中，包括有限元直接建模与 实体建模；布尔运算功能，实现模型的细雕：模型的拖拉、旋转、倒角、等操作：完整丰 富的网格划分工具，自动网格划分、映射网格划分、智能网格划分、自适应网格划分等。 后处理部分中，包括结果的彩色等值线显式、梯度显示、等值面显示；变形显示以及各种 动画现实。 1 4 2 接触一碰撞的数值计算法 a n s y s l s d 、i a 9 7 0 【2 1 】中提供了五十多种不同的接触类型以处理变形体与变形体 的接触、离散点与变形体的接触、变形体本身不同部分的单面接触、变形体与刚体的接 触、变形体固连以及根据实效准则解除固连等。这些接触类型主要采用三种不同的算法 处理接触一碰撞界面：罚函数法、分布参数法和动态约束法【1 9 1 。其中罚函数方法原理简 单、编程容易、很少激起沙漏效应、没有数值噪声，且算法动量守恒准确，其基本原理 是：在每一个时间步首先检查各从节点是否穿透主面，如果没有穿透不做任何处理。如 果穿透，则在该从节点与被穿透主面问引入一个较大的界面接触力，其大小与穿透深度、 主面的刚度成正比。接触力称为罚函数值。“对称反函数法 则是同时对每个主节点也 作类似上述处理，对称罚函数法是目前最常用的算法。 本文中主要采用的是以罚函数为主的三种接触类型：自动单面接触( a u t o m a t i c s i n g l e s u r f a c ec o n t a c t ) 、自动点面接触( a u t o m a t i cn o d e - t o s u r f - a c ec o n t a c t ) 、自动面面接 触( a u t o m a t i cs w f a c e t o s u 血c ec o n t a c t ) 。单面接触可用于一个物体表面各部分的自相接 触或与另一个物体的表面接触。当定义好单面接触时，它允许一个模型的所有外表面都 可能接触，这对于预先不知道接触表面的自身接触或大变形问题很有好处。对于点- 面 接触，接触节点将穿透t a r g e t 表面，这种接触类型用于一边情况下的两个物体表面之间 的接触。当一个物体的表面穿透另一个物体的表面时需要使用面面接触，这种接触是 常用的接触类型，常用于任意形状且存在较大接触面积的物体之间的接触问题。该接触 类型对于物体间由大连相对滑移时很有效。 在a n s y s l s d 呵a 中，摩擦采用c o u l o m b 摩擦列式与等效弹塑性弹簧模型。摩 轻质薄壁金属结构冲击吸能性与数值研究 擦通过设置非零的静摩擦( f s ) 和动摩擦系数( 。f d ) 来激活1 2 2 】。如静、动摩擦系数不 同，则f d 应小于f s ，；两者之间应用指数差值函数来进行平滑过渡，同时必须指定非 零的衰减系数d c 。其指数形式如式( 1 9 ) 所示。 ， 肛= 肋+ ( 殿一删p d c q 吲 ( 1 9 ) 其中从为摩擦系数，为接触表面的相对速度。对于伴有数值噪声的问题( 如碰 撞分析问题) ，f s 、f d 通常设为相同的值，以避免额外噪声的产生。由库仑摩擦造成的 截面剪应力某些情况下可能非常大，以至于超过材料承受的最大剪应力。为限制过大、 不真实的摩擦力产生，可设置粘性摩擦系数v c 以限制最大摩擦力，其中最大摩擦力 = 比。是接触时节点接触部分的接触面面积。v c 值建议使用剪切屈服应 力昭= 仃3 ，其中吼是接触材料的屈服应力。 1 5 本文研究内容 本文主要围绕提高金属薄壁结构的耐撞性和能量吸收性能展开。提出了新型的吸能 结构形状，第二章主要进行了金属壳轴向动态压缩的理论分析和薄壁壳的数值模拟以及 吸能性验证。第三章主要提出了一种新的轻质金属桁架式夹层复合圆柱管的构型，并研 究了其耐撞性能及吸能性能以及冲击速度和桁架截面积等因素对吸能性能的影响。第四 章主要对带有裂缝圆管进行尝试性的理论模型的提出以及数值模拟。 ( 1 ) 第二章系统介绍和分析了关于金属圆柱壳轴压理论模型。并通过数值模拟的方 法分析了三种截面薄壁壳体动态轴压过程及变性模式以及验证了薄壁金属圆柱管的吸 能优越性。 ( 2 ) 第三章针对大变形、大应变的复合式结构受撞击吸能的复杂的过程，进行了数值 分析，运用非线性有限元理论建立了数值分析模型研究了设想的吸能式桁架式夹层金 属圆柱管模型在轴向撞击载荷下的能量吸收特性，并从不同的速率以及不同的内部桁架 结构影响等这几个方面研究了复合式吸能管的吸能性能的影响因素。 ( 3 ) 第四章根据断裂力学方面的相关理论，选择相应的断裂准则，提出了带裂缝圆 管的数值分析模型。进行了相应非线性动态轴压的变形破坏模式的预测及此结构吸能性 耐撞性的研究。 大连理工大学硕士学位论文 2金属圆柱壳冲击理论分析及数值模拟 金属圆柱壳是最有效的吸能结构之一，并且在吸能体系中得到广泛应用。一方面是 因为金属圆柱壳破坏模式稳定，能够以可控得方式吸收能量；另一方面是由于薄壁圆柱 壳普遍存在于各类结构中。 塑性金属圆柱管的轴向压缩破坏模式主要有轴对称叠缩模式，非轴对称叠缩模式和 欧拉屈曲模式。此外，脆性金属管可能会以脆裂模式破坏。a n d r e w s 等人对破坏模式进 行了分类，发现它主要由直径壁厚比( d t ) 决定，直径壁厚比较大的发生非轴对称破坏， 反之发生轴对称破坏，后者的比吸能一般较大，且破坏模式相对稳定。在有些情况下还 会发生轴对称叠缩模式向非轴对称模式转变。非轴对称模式属于一种局部的失稳，轴压 载荷不易预报，现有研究主要是针对发生轴对称破坏模式的金属进行吸能特性的研究。 尽管已经有大量的研究，近年来随着偏心率效应、轴压历程精确模拟等新问题的提 出，以及在碰撞安全中的应用日益广泛，金属管轴压吸能这一问题再次成为研究的热点。 从某种意义上来说，金属管轴压吸能的理论研究仍落后于其实际应用。 本章主要介绍了有关金属圆柱壳轴向压缩的理论模型研究以及数值模拟了三种不 同截面的薄壁管的轴压过程以及在近似的同直径壁厚比( d t ) 的条件下对其吸能特性进 行了对比。 2 1 金属圆管轴压典型破坏模式及其特性曲线 在轴向撞击和准静态载荷下金属管一般发生渐进破坏，最终破坏模式主要有四种， 即：轴对称叠缩模式，非轴对称叠缩模式，过渡模式和翻裂模式，相应的破坏事件照片 和载荷位移曲线见图2 1 。 谚 燃麟鳓 嬲 貔黪燃 ( a ) 轴对称叠缩模式 绻 瀚 黪 潞； 辔 粪辫耩 轻质薄壁金属结构冲击吸能性与数值研究 ：匮f 7獭1 溯 i l 静； 辔繁二。鳓。氟。瓤。施；。妊乩。赫。；。，；觏。i 籀 蠹獭凑篓徽謦 ( b ) 非轴对称叠缩模式 蚴 豢舔 獯 糍游 瓣 ( c ) 过渡模式 碡缭 嬲 懑 l 缭 鬈 獭 缝瓣 勰徽 霸 缝貔蝴 l h m _ _ o ￥r # # m * * 日# “_ q _ 赫“删 棼瓣毯熬 ( d ) 翻裂模式 图2 1典型破坏模式及其轴向压缩特性曲线 f i g 2 1t y p i c a lf - a i l u r em o d e sa n dt h ec u r v eo fa x i a lc o m p r e s s i o n ( 1 ) 轴对称叠缩模式 ；f。；芗 够 ：| 勺 溉 岭 、 轧誉 麓 渗 滚磅攀辫 大连理工大学硕士学位论文 这种破坏模式十分规则，也称为“手风琴( c o n c e n i i l a ) 模式。在相应的压缩历程 中，过了弹性屈曲阶段后，载荷呈周期变化，能很好的反映最终的破坏模式。平均压缩 载荷己介于载荷的波峰波谷之间。在压缩过程中管壁以塑性较叠缩形式逐次( 渐进) 向 下移行。在形成每一个叠缩的过程中，管壁绕着最终形成叠缩凸点( 内或外) 为铰点转 动并向下移行。未发生屈曲部分的管壁的强度基本不变，因此每一个叠缩的开始形成时 都相当于一种次弹性屈曲。由于形成每一个叠缩上下两端管壁各发生一个这样的屈曲， 因而产生两个峰值。 ( 2 ) 非轴对称叠缩模式 这种模式又称为“金刚石( d i 锄o n d ) 模式，破坏模式呈棱角形交错排列。准静态 下发生轴对称叠缩破坏的金属管，动态下大多变为非轴对称叠缩型。可能的原因是：由 于管壁很薄，受细微扰动的影响较大，使得冲击载荷下结构的动力塑性屈曲的扰动效应 不能忽略，从而导致结构的动力渐进屈曲的模式发生变化。 ( 3 ) 过渡破坏模式 。： 以这种模式破坏的金属管压缩历程分为三个阶段：弹性压缩阶段；轴对称破坏阶段； 非轴对称破坏阶段。转变的模式都是从轴对称叠缩模式向非轴对称叠缩模式转化。这是 因为在屈曲压缩中，尽管金属管壁是以移行铰的形式运动的，但还会对未屈曲部分的强 度和几何完整性产生影响，一旦这种影响造成移行铰运动的偏移超过一定的阀值，管壁 就会产生局部失稳，造成破坏模式的转化。 ( 4 ) 翻裂破坏模式 这种模式的特点是金属层呈瓣状翻卷