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。     

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。

     

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。     

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.     

仿虾螯结构薄壁管设计及耐撞性分析

为提高薄壁管的耐撞性能,以虾螯为生物原型,通过结构仿生原理设计了仿虾螯结构多晶胞薄壁管。以晶胞数（2～6）和冲击角度（0°、10°、20°、30°）为试验因素,利用有限元法分析了仿虾螯结构多晶胞薄壁管在不同冲击角度下的耐撞性能,通过落锤试验验证了仿真结果的可靠性。结果表明：2晶胞仿生管在轴向和斜向载荷下的耐撞性最优。同工况条件下,减少晶胞数可降低仿生管峰值载荷。斜向冲击载荷下,仿生管保持稳定叠缩变形模式的时间随晶胞数的增加而缩短,其耐撞性能随晶胞数的增加而降低。虾螯结构特征与普通圆管的结合有效提高了仿虾螯结构多晶胞薄壁管的耐撞性能。

     

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。     

偏心率效应对金属圆柱管轴压性能的影响

用含有偏心率因子的直链塑性铰叠缩模型来分析金属圆柱管轴向压缩能量吸收，根据能量原理推导了瞬时载荷，从而获得压缩过程的载荷-位移曲线．讨论了偏心率对平均压缩载荷和载荷-位移曲线形貌的影响．实验结果与模型分析符合得很好．     

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。

     

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.     

局部表面纳米化双层嵌套式金属薄壁吸能结构的数值模拟和设计

基于局部表面纳米化技术,设计了一种双层嵌套式金属薄壁吸能结构。在表面纳米化技术对金属力学性能影响的研究基础上,优化了环向交错式和连续式条纹局部表面纳米化布局,得到了双层嵌套式方管吸能结构设计方案和吸能参数。结果表明,表面纳米化对材料的屈服极限提升显著,所设计的局部纳米化双层嵌套式方管吸能结构的比吸能可提高57.1%。同时也证实局部表面纳米化是一种有效的吸能提升技术。     

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。     

TiNi柱壳在不同约束下的横向冲击实验

为了解TiNi柱壳横向压缩力学性能以制造可重复使用抗冲吸能装置, 对有、无侧向约束的TiNi柱壳进行了横向冲击实验。利用改进的霍普金森压杆装置(SHPB), 配套波形分离方法, 实现了较长时间(~3 ms)的波形测量, 获得了TiNi柱壳在动态加载下的载荷压缩量曲线。通过高速摄影, 捕捉了柱壳的动态变形过程。结果表明, 无约束试件具有优良的可恢复变形能力, 承载力平台段特征明显。侧向约束的引入, 可以有效提高柱壳的承载力和耗能能力, 可以承受更高速度的冲击。选择合适的约束组合, 可望同时实现较大压缩行程和高耗能, 制造实用的抗冲吸能装置。     

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。

     

Experimental studies on buckling of ring-stiffened conical shells under axial compression

The buckling of integrally external ringstiffened conical shells under axial compression was investigated experimentally. Experimental results were compared with theory to find the effect of the stiffener parameters (e ₂ /h), (A ₂ /a ₀ h) and (I ₂₂ /a ₀ h ³ ) as well as of shell geometry. Agreement between classical linear theory and experiments was found to be governed primarily by the area parameter (A ₂ /a ₀ h), and correlation with theory was significantly affected in the range 0.1<(A ₂ /a ₀ h)<0.5 of that parameter. Beyond this region there is practically no improvement with increase in ring area, whereas the weight of the shell continues to increase linearly. An approximate formula is proposed for calculation of critical loads and found to yield results very close to the more exact critical values calculated by linear theory. A modified “Southwell plot” method was applied and both the intercept method and slope method were used. Critical loads computed from the strain records were found to be below the classical linear-theory predictions and closer to experimental ones.     

Experimental studies on dynamic plastic buckling of circular cylindrical shells under axial impact

In the present paper, experimental studies on dynamic plasticbuckling of circular cylindrical shells under axial impact are carried out. Hopkinson bar and drop hammer apparatus are used for dynamic loading. Three groups of circular cylindrical shells made of copper are tested under axial impact. From the experiments, the first critical velocity corresponding to the axi-symmetric buckling mode and the second critical velocity corresponding to the non-axisymmetric buckling mode are determined. The present results come close to those of second critical velocity given by Wang Ren^[4–6]. Two different kinds of non-axisymmetric buckling modes oval-shaped and triangle shaped are founded. The buckling modes under two loading cases, viz. with small mass but high velocity and with large mass and low velocity using Hopkinson bar and drop hammer, are different. Their critical energies are also discussed. The project is supported by the National Natural Science Foundation of China (19672039) and the Foundation for Returned Scholar from Abroad of Shanxi Province     

Nonlinear buckling and postbuckling of heated functionally graded cylindrical shells under combined axial compression and radial pressure

The nonlinear large deflection theory of cylindrical shells is extended to discuss nonlinear buckling and postbuckling behaviors of functionally graded (FG) cylindrical shells which are synchronously subjected to axial compression and lateral loads. In this analysis, the non-linear strain-displacement relations of large deformation and the Ritz energy method are used. The material properties of the shells vary smoothly through the shell thickness according to a power law distribution of the volume fraction of the constituent materials. Meanwhile, by taking the temperature-dependent material properties into account, various effects of external thermal environment are also investigated. The non-linear critical condition is found by defining the possible lowest point of external force. Numerical results show various effects of the inhomogeneous parameter, dimensional parameters and external thermal environments on non-linear buckling behaviors of combine-loaded FG cylindrical shells. In addition, the postbuckling equilibrium paths are also plotted for axially loaded pre-pressured FG cylindrical shells and there is an interesting mode jump exhibited.     

带有圆弧形凹槽金属薄壁圆管抗撞性优化设计

在金属薄壁圆管的基础上,引入圆弧形凹槽诱导结构并以其为研究对象,建立以凹槽数量及其半径为优化参数,以比吸能和压溃力效率为评价指标的多目标优化模型。分析研究均布设置诱导凹槽对结构吸能、最大峰值压溃力及压溃力曲线平稳性的影响。采用有限元软件LS-DYNA得到不同几何参数模型的碰撞响应,结合径向基函数法构造近似函数,并采用理想点法进行优化设计,得出使结构最优时的凹槽数量和半径,从而得到了理想的诱导凹槽优化结构。     

基于元胞自动机的变厚度薄壁梁侧向耐撞性优化设计方法

薄壁结构是汽车等运载工具的重要防护装置,除了其轴向防撞能力外,侧向耐撞性能分析与提升方式也非常重要。研究基于薄壁结构厚度合理分布的侧向耐撞性能提升方式和建立基于元胞自动机的变厚度薄壁梁侧向耐撞性优化方法。以汽车B柱受力环境和性能要求为设计需求,首先利用所建立的方法给出了连续变厚度的薄壁梁厚度分布设计,其性能较常规的等厚度薄壁梁最大侵入位移大幅下降(下降82%),验证了变厚度设计的有效性;然后,考虑单向变厚度便于柔性轧制工艺制成TRB,给出了轴向连续变厚度薄壁梁的厚度分布设计,该设计较等厚度梁最大侵入位移下降73%;与连续变厚度梁相比,在侵入位移降低量略小的情况下,实现了可制造性。设计实例表明本文提出的连续变厚度设计能够有效提高侧向耐撞性能,所建立的方法能够获得合理的厚度分布设计,是有效的耐撞性优化设计方法。     

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。

     

梯度蜂窝面外动态压缩力学行为与吸能特性研究

蜂窝材料具有优异的抗冲击吸能特性.为进一步提高蜂窝材料的比吸能与压缩力效率,提出了一种几何参数或材料参数沿厚度方向梯度渐变的蜂窝材料模型,并针对六边形蜂窝构型研究了胞元壁厚和屈服强度梯度变化的蜂窝材料在面外动态压缩载荷下的力学行为与吸能特性.研究结果表明,通过调控梯度变化的指数,胞元壁厚或母体材料屈服强度的梯度设计均可有效降低初始峰值应力,并使蜂窝材料的比吸能和压缩力效率同时增大.研究结果可为蜂窝材料的防撞性优化设计提供新的思路.