轴向冲击载荷下薄壁折纹管的屈曲模态与吸能

在方管的基础上引入折纹结构, 利用几何关系建立折纹管的折角公式。采用LS-DYNA软件研究了6种折纹管在轴向冲击下的屈曲模态与能量吸收性能, 并与方管进行对比分析。结果表明, 折纹管在冲击载荷作用下屈曲变形过程可分为3个阶段, 初始峰值阶段、稳定渐进屈曲阶段和密实化阶段。折角是影响初始峰值载荷和平均载荷的重要因素之一, 折纹结构的引入有效的降低了初始峰值载荷, 减小了冲击力的波动幅度; 折纹管的比吸能低于方管, 但是在特定折角下, 折纹管的压缩力效率和比总体效率高于方管。     

聚乙烯泡沫单填充纸瓦楞管的轴向跌落冲击缓冲吸能特性

利用聚乙烯闭孔泡沫单填充纸瓦楞管开展轴向跌落冲击试验，对比分析了结构参数和冲击参数对其缓冲吸能特性参数（比吸能、行程利用率、压缩力效率、比总体效率）的影响。结果表明，X向单填充管的动态缓冲吸能特性优于Y向单填充管，而静态缓冲吸能特性差于Y向单填充管。正四边形单填充管的动态缓冲吸能特性优于正五、六边形单填充管，X向正四边形单填充管的比吸能相较于正五、六边形管分别提高了114.4%和182.3%。对于跌落冲击压缩，单填充管的比吸能、行程利用率、比总体效率随着管长比的增大而减小，管长比为1.4的X向单填充管的比吸能相较于管长比为2.2和3.0的单填充管分别增加了45.8%和117.9%，而压缩力效率随着管长比的增大而增大。随着跌落冲击质量或冲击能量的增加，比吸能、行程利用率、压缩力效率和比总体效率皆呈增大趋势，冲击质量对X向单填充管的影响较大，而冲击速度则对Y向单填充管的影响较大。     

非凸截面管与多胞方管轴向冲击能量吸收性能对比研究

研究了非凸薄壁管在轴向冲击下的能量吸收性能,并与方管以及多胞方管进行了比较分析。首先,采用显式非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对比分析了这三类薄壁管在壁厚相同情况下的能量吸收性能。然后,在一定的材料用量限制（相同的质量）、一定的能量吸收量需求以及一定的极限峰值力要求等三种情况,比较了这三类截面薄壁管的冲击能量吸收性能。研究表明,非凸截面管在所研究的四种条件下无论在能量吸收效率还是在载荷一致性方面都远远优于方管。此外,非凸截面薄壁管在能量吸收效率方面也显著优于多胞方管,在载荷一致性方面与多胞方管相比各有优劣。     

新型多边形锥管的准静态压缩与耐撞性分析

在车辆的耐撞性研究中,锥形薄壁管因其具有稳定的力-位移曲线和变形过程,被认为是轴向加载下的一种理想的能量吸收器。设计了两种类型的新型多边形锥管,通过在传统的多边形锥管上引入特殊的折纸图案,诱导结构按预制的折纸图案发生变形,从而提高其在准静态轴向压缩条件下的耐撞性;并通过准静态压缩实验研究了截面边数和壁厚对其变形模式和耐撞性的影响。结果表明：截面边数的增加使结构更容易发生局部屈曲和塑性失稳;增加壁厚会使局部屈曲和塑性失稳相对减弱,但结构会产生更多的裂缝。截面边数N对耐撞性的影响主要体现在初始峰值力上,初始峰值力随N的增加而增加,平均压缩力、比吸能和压缩力效率随N变化无明显规律;壁厚t对耐撞性有较大的影响,初始峰值力、平均压缩力和比吸能都随t的增加而增加,压缩力效率随t增加无明显规律。同时,通过传统六边形锥管(CH6)与两类新型六边形锥管(N6M1和N6M2)对比发现,折纸图案的引入在降低初始峰值力、提高平均压缩力和压缩力效率方面有显著优势。     

薄壁非凸截面多胞管轴向冲击耐撞性研究

论文结合截面多胞化和截面非凸化这两种提高薄壁管能量吸收性能的方法,设计了一类薄壁非凸截面多胞管能量吸收结构.通过从管截面外轮廓和管内构型两个方面相结合的方法,同时从内外两个方面提高薄壁管的能量吸收性能.新型非凸截面多胞管通过增加截面折角数目并且保持折角在最优范围内,从而使得更多的材料分布在变形剧烈的折角附近以实现提高结构的能量吸收效率的目的.从理论与数值模拟两方面研究了这类新型非凸截面多胞薄壁管在轴向冲击下的能量吸收性能.新型非凸截面多胞管通过截面构型优化,增加了能量吸收效率高的角形部分.研究表明,这类薄壁非凸截面多胞管较传统薄壁方管的能量吸收性能有显著提高,并且其能量吸收性能优于凸多胞管及非凸多边形截面管,还避免了非凸多边形截面薄壁管潜在的整体失稳的问题.     

轴向冲击载荷下开孔薄壁方管吸能特性的研究

利用有限元软件ABAQUS对开孔薄壁方管在轴向冲击载荷作用下的变形规律与吸能特性进行了数值仿真分析,并根据数值模拟结果进行了多目标优化。在薄壁方管的每个侧面上开六个长方形孔,通过改变长方形孔的长度和宽度来研究开孔薄壁方管的耐撞性。结果表明:在研究的范围内,除开孔尺寸为20mm×5mm的薄壁方管外,其余开孔薄壁方管的破坏模式为外延式破坏模式,其变形过程为动态渐进屈曲;当开孔长度增大时,开孔薄壁方管初始峰值力减小;当开孔长度和宽度同时增大时,开孔薄壁方管平均载荷均减小;开孔面积越大,管吸收的能量和比吸能越小;开孔长度不变时,随着宽度的增大压缩力效率降低,当宽度不变时,随着长度的增大压缩力效率增大。基于开孔方管的数值模拟结果构造了响应面模型并对其进行了多目标优化,给出了Pareto前沿图,可根据各目标的偏好确定方管的开孔尺寸。     

多孔铁电陶瓷冲击压缩响应与损伤演化的离散元数值模拟

采用flat-joint粘结模型，建立多孔铁电陶瓷在一维应变冲击压缩下的PFC (particle flow code)颗粒流离散元模型，通过数值模拟再现了平板撞击实验中实测的自由面速度剖面历史，并揭示了多孔铁电陶瓷在冲击压缩下的响应过程与损伤演化机制。多孔铁电陶瓷在冲击压缩下的响应过程可分4个阶段:弹性变形、失效蔓延、冲击压溃变形、冲击Hugoniot平衡状态；其中，失效蔓延的内在机制是由剪切裂纹的成核与增长，而冲击压溃变形的主要机制是孔洞的塌缩以及层状剪切裂纹的形成与扩展；冲击速度与孔隙率对铁电陶瓷的响应有显著的影响，Hugoniot弹性极限强烈依赖于孔隙率，但与冲击速度的大小无关，宏观损伤累积随着冲击速度和孔隙率的增加而增加。     

非断裂式膨胀管分离装置设计与分析

对一种新型非断裂式膨胀管分离装置进行了静力承载及分离冲击动响应分析。根据静力承载分析，获得了其啮合齿倾角与承压能力间的关系，结果显示，当接触面摩擦因数恒定时，非断裂式膨胀管分离装置的承压能力与啮合齿倾角大小呈反比，且可靠承压的临界啮合角为啮合齿自锁角。同时，根据动力响应分析，获得了非断裂式膨胀管分离装置在不同啮合齿倾角情况下的分离冲击响应，并与常规膨胀管分离装置的分离冲击响应进行了对比，结果显示，所分析的两种具有不同啮合齿倾角的非断裂式膨胀管分离装置具有比常规膨胀管分离装置更小的可靠分离内压，并且5.7°啮合齿倾角构型在相同测点处的三向加速度时程曲线峰值均低于常规膨胀管分离装置。     

负高斯曲率曲面薄壁管吸能特性研究

为设计出具备优良吸能特性的薄壁结构,提出一种新型负高斯曲率曲面圆形横截面薄壁管(negative Gaussian curvature surface circular tube, NGC-C)。利用经验证的有限元分析方法对其进行轴向动态冲击模拟,提取各项性能指标,借助复杂比例评估法(complex proportion assessment, COPRAS)将其与传统薄壁吸能结构进行了综合性能对比。采用拉丁超立方抽样法从设计空间中提取样本点并获取各样本点对应性能响应值,建立代理模型。基于该代理模型,借助改进非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm, NSGA-Ⅱ)对其进行了多目标优化设计。结果表明:NGC-C综合性能优于传统薄壁吸能结构,经优化后比吸能提高了16.47%,有效压溃长度降低了12.40%,质量减少了20.18%。将负高斯曲率曲面形态引入薄壁管构型,能够提高薄壁管的耐撞性和轴向抗变形能力。     

中低速压缩加载下不同截面构型复合材料薄壁结构吸能特性及失效分析

为研究开剖面复合材料薄壁吸能结构的吸能特性,基于高速液压伺服试验系统,开展了开剖面复合材料薄壁结构轴向压缩试验,分析了截面构型、截面长宽比、触发模式及加载速度对其吸能特性的影响,揭示了其在压溃过程中的失效及吸能机理。研究结果表明,复合材料薄壁结构压溃过程中主要通过材料弯曲、分层、剪切破坏以及压溃区之间的摩擦吸能。截面构型对其吸能特性影响显著,其中,帽形及Ω形试件的平均压溃载荷较C形试件分别高出14.1%和14.6%,比吸能较C形试件分别高出14.3%和14.8%;截面长宽比对复合材料薄壁结构吸能特性的影响不如截面构型明显;触发模式主要影响吸能结构的初始压溃阶段,在降低峰值载荷方面,C形试件采用45°倒角触发效果更好,帽形试件采用15°尖顶触发效果更好;当加载速度从0.01 m/s提高到1 m/s时,C形、帽形及Ω形试件的平均压溃载荷分别下降了6.1%、10.9%和6.1%,比吸能分别下降了6.2%、11.0%和6.2%。     

薄壁管及其泡沫金属填充结构耐撞性的实验研究

对两种AA 6063T6铝合金薄壁空管(方/圆管)结构以及填充泡沫铝的5种不同几何截面的薄壁夹芯管(单方/圆管填充,双方/圆管填充,双方管四角填充结构)分别进行了准静态轴向压缩实验,研究了各种薄壁结构的变形模式和吸能性能,比较了反映不同结构耐撞性的各种参数,如比能量吸收和能量吸收效率因子等。同时,研究了各种填充结构的几何参数对结构耐撞性能的影响,发现填充结构内管的尺寸对结构的耐撞性影响显著。研究结果显示,圆管类型的结构平均压垮载荷、比质量能量吸收、单位行程能量吸收以及能量吸收效率因子都较方管类型结构高。泡沫填充单/双圆管结构由于其较高的压垮力效率和能量吸收效率,能够较平稳高效地吸能,作为耐撞性结构元件具有很大的优势。     

泡沫铝夹芯双方管结构准静态轴压性能的实验研究

对几种泡沫铝夹芯方管结构的准静态轴压性能进行了实验研究。结果表明,较空管及泡沫铝夹芯单管结构,泡沫铝夹芯双管结构的承载能力及能量吸收效率明显得到增强。双管夹芯结构中外管撕裂模式的结构行程利用率和能量吸收效率高于相应的外管周期折叠模式。而泡沫铝四角填充方式提高了双管夹芯结构相同变形模式下的能量吸收效率和结构变形的稳定性。同时研究了内管管壁及材料强度对泡沫铝夹芯双管结构的影响。随着内管壁厚增大,双管夹芯结构的能量吸收效率提高,而内管材料强度影响不明显。     

预折纹管在低速冲击载荷作用下的能量吸收

为了降低结构的初始载荷、增加有效塑性变形面积,进而提高其吸能效率,研究一种以新型的预折纹管,在普通管的管壁上引入特别设计的折角。基于有限元软件ABAQUS/EXPLICIT的数值分析验证了预折纹在低速冲击载荷作用下可以引导预期的大变形模式,预折纹管的这种大变形模式相较于普通方管的对称变形模式有更低峰值载荷和更高的平均载荷。通过低速落锤实验获得了与有限元模拟结果相似的载荷-位移曲线和变形模式,验证了数值结果的可信性和预折纹方管的高效吸能特点。     

泡沫铝填充金属薄壁圆管侧向压缩的实验和理论

利用实验研究与理论分析相结合方法研究了泡沫铝填充金属薄壁圆管在准静态侧向压缩下的力学响应。基于能量法,建立了泡沫铝填充圆管和金属薄壁圆管在侧向均匀压缩时的瞬时侧向力、平均侧向力和总吸能的理论公式。对泡沫铝填充管与金属薄壁圆管进行了准静态侧向压缩实验,并且将实验结果与理论公式进行了对比,结果表明理论预测值与实验结果吻合较好。基于建立的理论分析模型,研究了管的几何尺寸以及泡沫铝材料的密度对结构的瞬时侧向力、平均侧向力、总吸能和比吸能的影响。结果表明,在准静态侧向压缩下,泡沫铝填充管的总吸能大于对应的金属薄壁圆管;泡沫铝填充管的侧向压缩力和总吸能随管长度、壁厚和直径的增加而增大;当填充材料泡沫铝密度增大时,填充管的总吸能与侧向压缩力均增加。     

ENERGY ABSORPTION CONTROL CHARACTERISTICS OF AL THIN-WALLED TUBES UNDER IMPACT LOAD

An experimental investigation was carried out to study the energy absorption characteristics of thin-walled square tubes subjected to dynamic crushing by impact loading to develop the optimum structural members. Here, the controller is introduced to improve and control the absorbed energy of thin-walled square tubes in this paper. When the controller were used, the experimental results of crushing of square tubes controlled by the controller＇s elements showed a good candidate for a controllable energy absorption capability in impact crushing.     

正多边形基多胞薄壁管的吸能特性

多胞薄壁结构具有轻量化、高比吸能的特点，在汽车、轮船、航空航天等领域得到了广泛的应用。已有研究表明结构的耐撞性与结构的拓扑方式及胞元数量密切相关。为了研究结构形状和拓扑优化对其吸能效果的影响，基于正多边形结构，通过内嵌多边形和外接圆管的方式设计了两类新型多胞薄壁结构，并对这两类多胞薄壁结构进行准静态和落锤冲击实验，利用高速相机记录结构的变形模式，并定量分析了结构的吸能特性。实验结果表明:除正三角形二级内嵌四边形所得结构在准静态加载实验后期出现了局部失稳现象外，其余结构在准静态和落锤冲击实验过程中均保持垂直受压，结构变形模式与吸能效果较好。通过比较两类结构的实验结果得出:不论是在准静态加载还是在落锤冲击的情况下，内嵌多边形结构的各项吸能指标都明显优于外接圆管的结构；同等质量的情况下，内嵌四边形结构的吸能效果明显优于内嵌三角形的结构。     

Dynamic crushing characteristics of high strength steel cylinders with elliptical geometric discontinuities

Thin-walled members are commonly used as energy absorbers in engineering structures and often contain cutouts. This study performed numerical simulations of high strength steel cylindrical shells with elliptical cutouts subjected to dynamic axial impact. The LS-DYNA code was the primary analytical tool used to analyze the influence of cutout locations, cutout shapes and symmetry of cutout on the energy absorption capabilities and the crush characteristics of tubes with a cutout. For high strength steel tubes made from a rate sensitive material, the stress-strain curves of different strain rates were used to elucidate the effect of dynamic impact on the strain rate. Our results show that collapse crushing behavior is strongly influenced by the location and symmetry of cutouts and the variation of major axis influences the peak crush load.