冲压筋薄壁管轴向压缩特性试验研究

以当前车架前纵梁薄壁吸能管为依据,制作了普通单、双帽薄壁管以及单、双帽冲压筋薄壁管试件,并依次进行了轴向准静态压缩试验,来研究这些管件的轴向压缩吸能特性.试验发现:添加冲压筋之后,单、双帽薄壁结构的轴向吸能特性都得到了很大提高,但冲压筋对帽型薄壁结构稳定性的提高不明显.试验结果表明,在不增加材料的前提下,通过改变吸能元件的截面结构可以提高其碰撞吸能特性.     

引入Sierpinski层级特性的新型薄壁多胞管轴向冲击吸能特性

为提高薄壁结构的吸能能力，基于Sierpinski分形结构提出了一种具有层级特性的新型薄壁管，即Sierpinski层级管（Sierpinski hierarchical tube, SHT）。采用非线性有限元法对SHTs在轴向冲击载荷作用下的变形模式和能量吸收特性进行了数值分析，并与普通三角形薄壁管在轴向冲击载荷作用下的变形模式和能量吸收特性进行了对比。结果表明:SHTs的变形模式为轴对称渐进屈曲模式，在薄壁管中引入Sierpinski层级特性后，胞壁弯曲过程的半折叠波长减小，促使压缩过程中形成更多的塑性折叠单元，有利于提高薄壁结构能量吸收能力。进一步基于能量守恒理论和塑性铰理论对SHTs的轴向压缩应力进行理论求解，并通过有限元数值模拟验证其准确性。在相同的相对密度下，一阶、二阶及三阶SHTs的动态压缩应力较普通三角形薄壁管的动态压缩应力提高了85.8%、138.2%和183.8%。将Sierpinski层级特性引入薄壁管的设计中，能够有效提高薄壁管的耐撞性能。     

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%。     

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。     

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。     

高速冲击下薄壁组合结构吸能特性研究

研究了高速冲击下组合薄壁结构的吸能特性。采用显式动力有限元方法模拟薄壁结构在轴向冲击下的动态屈曲并分析其吸能特性,通过在结构上增加诱导缺陷和提出新型组合截面来提高其抗冲击吸能性能。同时对多种模型对比分析,研究了不同诱导缺陷、截面形式对吸能特性的影响,以得到最优化的结构。     

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。     

材料和内边界约束对薄壁圆管轴向压缩吸能特性的影响研究

为了在空间和质量约束条件下得到综合效率最优的能量吸收结构,通过数值方法分析了45#钢、6061-T6铝合金和TC4钛合金三种材料薄壁圆管在轴向压缩下的能量吸收行为,得到了材料、结构参数、内边界约束对薄壁圆管变形模式和能量吸收特性的影响。结果表明:相同厚径比时,延展性好的薄壁圆管发生渐进式压溃,而延展性差的薄壁圆管则发生轴向劈裂和渐进碎裂变形模式;结构的比能量吸收率随厚径比的增大而提高,其中钛合金管的比吸能率最高,但峰值载荷较大;当内径、高度和质量相同时,钛合金管的吸能量分别是铝合金管和钢管的1.1倍和3.1倍。此外,对于渐进压溃模式的薄壁圆管,可通过引入内边界约束改善其能量吸收特性,其比能量吸收率最大可提高13%左右。     

多种截面形状薄壁管轴向冲击吸能特性对比研究及优化设计

利用经过台车碰撞试验验证的铝合金薄壁管材料参数对比研究了方形、六边形、八边形和圆形的多种不同截面形状薄壁管在轴向动态冲击下的吸能特性。结合多目标优化算法对吸能特性较好的八边形多胞管进行了参数优化,并提出了一种新的优化设计方案。该方案将多胞管外管、肋板和内管的厚度分别作为优化设计变量,通过与将多胞管取统一厚度作为设计变量的传统方案进行对比发现,采用该方案对八边形多胞管进行优化后明显提高了其在相同压缩力峰值下的能量吸收效率。     

多孔材料填充薄壁结构吸能的相互作用效应

研究多孔材料填充薄壁结构的相互作用效应产生的机理，并建立了表征模型. 以泡沫 铝填充帽形结构为例，发现压溃的填充物分为致密区、过致密区和未变形区3个区域. 基于 理想可压缩假设建立了填充多孔材料分析模型，获得各区域体积变化和等效应变等关系；结 合薄壁结构超叠缩单元模型，对填充结构各组分的能量吸收进行了拆分. 研究表明，薄壁结 构的吸能略有增加，多孔材料的吸能增加40{\%}左右. 过致密区的形成是相互作用效应的 主要原因.     

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.     

A STUDY ON THE EFFECT OF RADIAL INERTIA ON THE ELASTO-PLASTIC COMBINED STRESS WAVE PROPAGATION IN THIN-WALLED TUBES

An in-depth analysis of propagation characteristics of elasto-plastic combined stress waves in circular thin-walled tubes has been made. In obtaining the simple-wave solution, however, most researches have ignored the influence of the circumferential stress related to the radial inertial effect in the tubes. In this paper the incremental elasto-plastic constitutive relations which are convenient for dynamic numerical analysis are adopted, and the finite-difference method is used to study the evolution and propagation of elasto-plastic combined stress waves in a thin-walled tube with the radial inertial effect of the tube considered. The calculation results are compared with those obtained when the radial inertial effect is not considered. The calculation results show that the radial inertial effect of a tube has a fairly great influence on the propagation of elasto-plastic combined stress waves. Project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 19572064) and the National Defence Preresearch Foundation (No. 96J11. 4. 4. 0102).     

一种复合材料的大挠度曲梁单元

本文研究了加劲壳的非线性有限元分析方法,提出了一种梁元素来模拟加筋。该元素具有曲轴线,任意形状的薄壁剖面和任意铺层方式,与三维退化曲壳元素完全协调,相对于壳中面可以有偏心,所分析的结构可以是层合复合材料加劲壳或各向同性材料单层加劲壳。     

THE LAYOUT OPTIMIZATION OF STIFFENERS FOR PLATE-SHELL STRUCTURES

The plate-shell structures with stiffeners are widely used in a broad range of engineering structures. This study presents the layout optimization of stiffeners. The minimum weight of stiffeners is taken as the objective function with the global stiffness constraint. In the layout optimization, the stiffeners should be placed at the locations with high strain energy/or stress. Conversely, elements of stiffeners with a small strain energy/or stress are considered to be used inefficiently and can be removed. Thus, to identify the element efficiency so that most inefficiently used elements of stiffeners can be removed, the element sensitivity of the strain energy of stiffeners is introduced, and a search criterion for locations of stiffeners is presented. The layout optimization approach is given for determining which elements of the stiffeners need to be kept or removed. In each iterative design, a high efficiency reanalysis approach is used to reduce the computational effort. The present approach is implemented for the layout optimization of stiffeners for a bunker loaded by the hydrostatic pressure. The numerical results show that the present approach is effective for dealing with layout optimization of stiffeners for plate-shell structures.     

含诱导缺陷薄壁圆管耐撞性优化设计

运用移动最小二乘曲面拟合技术和遗传算法优化技术,建立一套完整的结构耐撞性优化设计技 术。设计了一个具有高效吸能能力的薄壁圆管结构含诱导缺陷薄壁圆管结构,给出了含缺陷薄壁圆管结 构耐撞性优化设计结果。结果显示,设计的薄壁圆管结构具有好的吸能效果,该结构设计简单,便于在结构设 计中使用。     

VIBRATION AND STABILITY OF RING-STIFFENED THIN-WALLED CYLINDRICAL SHELLS CONVEYING FLUID

Based on the Flügge shell theory,equations of motion of ring-stiffened thin-walled cylindrical shells conveying fluid are developed with the aid of the Hamilton's principle.Analysis is carried out on t...     

低速冲击下泡沫金属填充薄壁圆管的弯曲行为

采用实验方法研究了低速冲击下泡沫金属填充薄壁圆管的弯曲行为,详细说明了实验方法和原 理。通过与准静态实验结果的比较发现,冲击加载使泡沫金属填充圆管跨中截面的局部压入变形增大,跨中 截面高度变小,结构下缘拉裂破坏延迟。由于结构的惯性效应,锤头总冲击力高于准静态加载时的对应值。     

软管流量调节器调节特性分析及设计准则

分析了大雷诺数下软管的流量调节行为；导出了流量随下游压力的函数关系，即流量调节特性曲线；提出了以软管作为能动元件的流量调节器设计准则．     

WAVE PROPAGATION IN A SYSTEM OF COAXIAL TUBES FILLED WITH INCOMPRESSIBLE MEDIA: A MODEL OF PULSE TRANSMISSION IN THE INTRACRANIAL ARTERIES

The propagation of harmonic waves through a system formed of coaxial tubes filled with incompressible continua is considered as a model of arterial pulse propagation in the craniospinal cavity. The inner tube represents a blood vessel and is modelled as a thin-walled membrane shell. The outer tube is assumed to be rigid to account for the constraint imposed on the vessels by the skull and the vertebrae. We consider two models: in the first model the annulus between the tubes is filled with fluid; in the second model the annulus is filled with a viscoelastic solid separated from the tubes by thin layers of fluid. In both models, the elastic tube is filled with fluid. The motion of the fluid is described by the linearized form of the Navier–Stokes equations, and the motion of the solid by classical elasticity theory. The results show that the wave speed in the system is lower than that for a fluid-filled elastic tube free of any constraint. This is due to the stresses generated to satisfy the condition that the volume in the system has to be conserved. However, the effect of the constraint weakens as the radius of the outer tube is increased, and it should be insignificant for the typical physiological parameter range.     

牛角芯棒热推弯管成形过程受力变形特点

通过实验研究分析了牛角芯棒热推弯管成形过程瞬时应力、应变状态及其演化过程，阐明了弯管成形时的受力、变形特点，为牛角芯棒热推弯管成形过程塑性分析奠定了基础．