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。     

弧形折纸模式薄壁结构的压缩变形与能量吸收

选用PolyMaxTM PLA为试样材料，利用3D打印技术制备了弧形折纸薄壁管件。基于准静态轴向压缩实验，运用ABAQUS软件对弧形折纸薄壁管件轴向准静态压缩和冲击行为进行了有限元计算，探讨了其变形模式和能量吸收特性，分析了预折角和薄壁单胞管件阵列数量对其压溃模式及能量吸收的影响。有限元计算结果与实验结果吻合较好。薄壁管件的变形过程可分为4个阶段:初始压溃阶段、预折角塑性旋转阶段、腹板塑性屈曲阶段和完全压溃密实化阶段。弧形折痕的引入能够有效地降低薄壁管件在压缩过程中的初始压溃载荷峰值，减小冲击载荷的振荡幅值。对比了高度相等、质量近似相等的方管与弧形折纸薄壁管在不同冲击速度下的压缩变形与能量吸收。在准静态压缩作用下，对于单胞模型，仅有折痕倾角为70°的模型的比吸能优于方管；对于多胞管件阵列模型，方管的比吸能均优于折纸管。折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管，其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。在动态冲击压缩下，阵列方管的比吸能均优于阵列折纸管。当冲击速度为10 m/s时，折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管，其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。当冲击速度为20 m/s时，仅有折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率优于方管。     

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。     

多次低强度冲击对蜂窝纸板缓冲性能的影响

针对多次低强度冲击缓冲包装材料局部损伤研究的不完善,本文首次研究了多次低强度冲击对蜂窝纸板缓冲性能的影响。首先对蜂窝纸板进行5cm高度下的低强度多次冲击,再进行80cm高度下较高强度的一次冲击,以模拟实际产品运输过程中的冲击与跌落。通过实验获得了蜂窝纸板的载荷-位移曲线和能量吸收图。结果表明:1首次低强度冲击后蜂窝纸板出现屈曲和折叠,载荷-位移曲线出现屈曲峰值;受到重复冲击后折叠扩展,载荷-位移曲线由软弹簧变形阶段和平台阶段构成,屈曲现象不再明显,平台阶段的承载力比首次低强度冲击时的屈曲载荷下降了60%;随着低强度冲击次数的增加,蜂窝纸板在各次冲击时吸收的能量呈上升趋势;2蜂窝纸板剩余结构在经受较高强度冲击时,其载荷-位移曲线具有软弹簧变形阶段、平台阶段、密实化阶段的特征,平台阶段体现出明显的屈曲渐进过程;随着低强度冲击次数的增加,蜂窝纸板剩余结构在较高强度冲击时吸收的能量呈下降趋势。蜂窝纸板在经历多次低强度冲击后,虽有局部折叠,但仍能在一定程度上起到保护产品的作用,是一种理想的缓冲结构材料。     

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。     

弹塑性梁在轴向应力波下的动态屈曲

本文考虑轴向应力波效应，利用分叉理论研究各种支承半无限长弹塑性梁的动态屈曲问题。在轴向阶梯载荷和脉冲载荷冲击下得到了梁的临界屈曲载荷及初始屈曲模态。其结果与实验现象相一致。同时也为研究结构动态屈曲问题提供了有效途径。     

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。     

两参数轴向冲击载荷作用下圆柱壳弹塑性动力屈曲

研究圆柱壳在两参数轴向冲击载荷下的弹塑性动力屈曲问题，基本控制方程由弹塑性连续介质中关于加速度的最小原理获得，本构关系采用增量理论。研究表明：屈曲过程可划分为两相，两相之间由临界时间ｔ表征，并分别讨论了应力波对屈曲的影响，压缩波与弯曲波的相互作用及几何尺寸，材料参数，初始缺陷，载荷峰值及持续时间等诸多因素与动力屈曲的关系。     

含初缺陷裂纹损伤梁的冲击动力屈曲

由Hamilton原理导出考虑初始缺陷及横向剪切变形时裂纹梁的动力屈曲控制方程;应用断裂力学中常用的线弹簧模型将裂纹引入到屈曲控制方程中;基于B-R动力屈曲判断准则,采用数值方法求解了受轴向冲击载荷作用时裂纹梁的动力屈曲;对比讨论了不同冲击速度、初始几何缺陷大小以及分布形式等因素对梁冲击动力屈曲的影响。     

Hamilton体系下功能梯度梁的热冲击动力屈曲分析

在Hamilton体系下,基于Euler梁理论研究了功能梯度材料梁受热冲击载荷作用时的动力屈曲问题;将非均匀功能梯度复合材料的物性参数假设为厚度坐标的幂函数形式,采用Laplace变换法和幂级数法解析求得热冲击下功能梯度梁内的动态温度场:首先将功能梯度梁的屈曲问题归结为辛空间中系统的零本征值问题,梁的屈曲载荷与屈曲模态分别对应于Hamilton体系下的辛本征值和本征解问题,由分叉条件求得屈曲模态和屈曲热轴力,根据屈曲热轴力求解临界屈曲升温载荷。给出了热冲击载荷作用下一类非均匀梯度材料梁屈曲特性的辛方法研究过程,讨论了材料的梯度特性、结构几何参数和热冲击载荷参数对临界温度的影响。     

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。     

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。     

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。     

仿生多胞薄壁管耐撞性分析及优化

为提高薄壁管结构耐撞性，以雀尾螳螂虾螯为仿生原型，结合仿生学设计方法，设计一种含正弦胞元的多胞薄壁管结构。以初始峰值载荷、比吸能和碰撞力效率为耐撞性指标，通过有限元数值模拟分析了不同碰撞角度（0o、10o、20o和30o）条件下，仿生胞元数对薄壁管耐撞性的影响，通过多目标的复杂比例评估法获取仿生薄壁管的最优胞元数。基于不同碰撞角度权重因子组合，设置了4种单一角度工况和3种多角度工况，采用多目标粒子群优化方法获取了不同工况下薄壁管结构最优胞元高宽比和壁厚。复杂比例评估结果表明，胞元数为4的薄壁管为最优晶胞数仿生薄壁管。优化结果表明，单一角度工况下，最优结构参数高宽比的范围为0.88～1.50，壁厚的范围为0.36～0.60 mm，碰撞角度为0o和10o的最优高宽比明显小于碰撞角度为20o和30o的；多角度工况下，最优高宽比范围为1.01～1.10，壁厚范围为0.49～0.57 mm。     

BENDING BEHAVIOR OF EMPTY AND FOAM-FILLED ALUMINUM TUBES WITH DIFFERENT CROSS-SECTIONS

In this paper, the energy absorption mechanism of empty and foam-filled aluminum tubes with different cross-sections (circular, square and elliptic) under bending load is investigated numerically. The load-displacement curves of the present simulations are in very good agreement with those of published experimental data. Here, the existing analytical formulations are reviewed and compared with experimental results. In addition, the effects of different cross-sections and wall thicknesses on the energy absorption capacity and specific energy absorption of these tubes are fully investigated. The results indicate that the energy absorption of an elliptic foam-filled tube with 1.5 mm and 2 mm thicknesses increases about 45% and 73% in comparison with a square one, respectively.     

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。     

Crashworthiness analysis and optimization of fourier varying section tubes

Thin-walled structures are widely used as energy absorption devices for their proven advantages on lightweight and crashworthiness. However, a majority of studies have being focus on exploring separately the crashworthiness of the thin-walled structure with a specific geometric section, such as circular, square, hexagon, octagon etc., and little research has investigated the relationship of crashworthiness among thin-walled structures with different sections systematically. This paper utilizes Fourier series expansion to generate a series of novel sectional configurations, namely Fourier varying sectional tubes (FVSTs), to look into their advantages of crashworthiness, thereby developing some FVSTs with highest possible energy absorption capacity. Based on the validated finite element (FE) models, parametric analysis is conducted to investigate the effects of cross-sectional configuration, perimeter and thickness of FVSTs on collapse mode and energy absorption. The results showed that the collapse modes of FVSTs are fairly sensitive to cross-sectional configuration, perimeter and wall thickness. Of these FVSTs generated, the highest specific energy absorption (SEA) increases 77.54% by increasing perimeter and 69.73% by decreasing wall thickness. Finally, a discrete optimization based on the orthogonal arrays is conducted to obtain the optimal FVST for maximizing SEA under the constraint of the initial peak crushing force (IPCF). The optimized FVSTs are of superior crashworthiness and great potential as an energy absorber.