專利名稱：一種軸對稱變形薄壁圓管吸能裝置的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種吸能裝置的設(shè)計(jì)方法，尤其涉及一種軸對稱變形薄壁圓管吸能裝置的設(shè)計(jì)方法，用于車輛碰撞實(shí)驗(yàn)研究和抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
薄壁圓管的大變形和吸能分析是從車輛耐撞性實(shí)驗(yàn)研究和抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工程實(shí)際中提出來的。大量實(shí)驗(yàn)研究表明，設(shè)計(jì)合理的吸能系統(tǒng)不僅能有效吸收碰撞或爆炸產(chǎn)生的動能，而且能根據(jù)設(shè)計(jì)要求控制傳遞的載荷，確保結(jié)構(gòu)的安全可靠。
近10多年來抗撞擊車輛的設(shè)計(jì)研究己成為許多國家在鐵路機(jī)車車輛、城市軌道車輛(地鐵、輕軌車輛)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要課題之一，通過提高客室的抗撞擊性，在車體的特定部位設(shè)置碰撞能量吸收裝置和防爬裝置，達(dá)到發(fā)生意外碰撞時能吸收大部分碰撞動能和防止車輛交疊的目的，從而最大限度地減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。車鉤緩沖裝置作為吸能結(jié)構(gòu)，在整輛列車碰撞中起著重要的作用，壓潰管作為車鉤緩沖裝置的主要吸能元件，其結(jié)構(gòu)即薄壁圓管。列車在運(yùn)行或者連掛過程中，在非正常狀況下，車鉤緩沖裝置受到的縱向載荷超過壓潰管觸發(fā)力時，壓潰管按照設(shè)計(jì)的變形模式，開始產(chǎn)生屈服擴(kuò)張，以穩(wěn)定的阻抗力發(fā)生塑性變形，最大限度吸收沖擊能量。
薄壁圓管作為一種耐撞吸能結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)是一類可壓縮結(jié)構(gòu)?？蓧嚎s結(jié)構(gòu)是利用自身的不可逆破壞有效地耗散沖擊能量的耐撞吸能結(jié)構(gòu)的總稱?？蓧嚎s結(jié)構(gòu)緩沖技術(shù)已在航空航天工程中被普遍采用。薄壁圓管由于具有重量輕，吸能效率高，平穩(wěn)可靠的緩沖特性，安裝/替換靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，在航天工程中正越來越受到重視，并漸漸被應(yīng)用到許多航天工程的緩沖系統(tǒng)。
在國防建設(shè)中，針對現(xiàn)代迅速發(fā)展的高強(qiáng)度、大當(dāng)量爆炸產(chǎn)生的爆炸沖擊載荷，采用過去的高強(qiáng)度、高剛度的純剛性設(shè)計(jì)概念進(jìn)行防護(hù)工程結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)，難以滿足某些機(jī)動性和安全性同時達(dá)到技術(shù)指標(biāo)的要求。一種引入緩沖、吸能機(jī)理的半剛性設(shè)計(jì)概念出現(xiàn)在現(xiàn)代防護(hù)工程設(shè)計(jì)中。在這一新概念的引導(dǎo)下，基于鋼管在高速動力載荷下的流動性(屈曲發(fā)展)和吸能特性，針對爆炸載荷的爆炸效應(yīng)，鋼管開始被應(yīng)用于軍事防護(hù)工程設(shè)施。
薄壁圓管結(jié)構(gòu)在壓縮/沖擊載荷作用下呈現(xiàn)很高的吸能效率，但由于其材料、結(jié)構(gòu)范圍廣泛，受力條件及其損傷、破壞過程復(fù)雜，至今對其規(guī)律認(rèn)識遠(yuǎn)不充分。薄壁圓管緩沖吸能特性及其應(yīng)用研究越來越受到理論和工程界的重視。對于薄壁圓管大變形模式的研究，國內(nèi)外一些力學(xué)界和工程界專家做了大量的實(shí)驗(yàn)，在動態(tài)試驗(yàn)下，薄壁圓管先出現(xiàn)軸對稱變形模式，繼而轉(zhuǎn)化為非軸對稱變形模式。轉(zhuǎn)化的機(jī)理現(xiàn)在還不甚明了，只知道對于這類尺寸的薄壁圓管，兩種模式所要求的撞擊力相差甚微，因而兩種模式都可能被激發(fā)。
綜上所述，目前尚未出現(xiàn)一套完整精確的理論模型對薄壁圓管吸能裝置在吸能過程中的作用機(jī)理進(jìn)行闡釋，在薄壁圓管吸能裝置的設(shè)計(jì)中缺乏理論指導(dǎo)，需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，時間和金錢的耗費(fèi)巨大。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，對薄壁圓管吸能裝置軸向動力屈曲的作用機(jī)理進(jìn)行深入分析和研究，建立科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，提供一種軸對稱變形薄壁圓管吸能裝置的設(shè)計(jì)方法，具有可靠的精度，對實(shí)驗(yàn)依賴小，可節(jié)省大量的人力、財(cái)力和時間。
具體而言，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題一種軸對稱變形薄壁圓管吸能裝置的設(shè)計(jì)方法，該方法利用以下數(shù)學(xué)模型確定所述薄壁圓管吸能裝置的材料及幾何尺寸，式中，忍為薄壁圓管接觸面上的平均撞擊力；i 為薄壁圓管的中徑；I為薄壁圓管的壁厚；D、P是薄壁圓管所使用材料的材料常數(shù)；巧為材料的靜態(tài)屈服應(yīng)力；巧為疊縮最大塑性應(yīng)變時的應(yīng)力，可近似取靜態(tài)強(qiáng)度極限；F為撞擊時的接近速度；Cf1、C2分別為薄壁圓管中塑性縱波、塑性橫波的傳播速度，為薄壁圓管所使用材料的材料密度4力薄壁圓管的橫截面面積；為塑性應(yīng)力應(yīng)變曲線上應(yīng)變處的斜率；設(shè)計(jì)時，塑性橫波和縱波的傳播速度要協(xié)調(diào)，即在由G所決定的一個疊縮的完成時間內(nèi)，由G所決定的塑性橫波的傳播距離為屈曲波的半波長。
進(jìn)一步地，該方法還包括利用下述三種方法中的至少一種對所述薄壁圓管吸能裝置的彎曲剛度進(jìn)行增強(qiáng)1)減小所述薄壁圓管的管長；2)在所述薄壁圓管軸向上增設(shè)活動支承；3)在所述薄壁圓管徑向增設(shè)加強(qiáng)筋。
優(yōu)選地，所述在薄壁圓管軸向上增設(shè)活動支承，具體是指在薄壁圓管軸向上增設(shè)至少一個與其串聯(lián)的薄壁圓管。
優(yōu)選地，所述在薄壁圓管徑向增設(shè)加強(qiáng)筋，具體是指在所述薄壁圓管的管壁屈曲半波長處增加T形截面的筋板。
相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所建立的數(shù)學(xué)模型能夠?qū)Ρ”趫A管吸能裝置的作用機(jī)理進(jìn)行科學(xué)地闡釋，并指導(dǎo)薄壁圓管吸能裝置的設(shè)計(jì)，可節(jié)省大量的時間、人力及物力。對于工程實(shí)踐具有重要指導(dǎo)意義。


圖1薄壁圓管理想軸對稱疊縮模型； 圖2圓形梁微元體的受力圖；圖3不同管長的薄壁圓管受撞擊時的變形；圖4不同管長的薄壁圓管受撞擊時的撞擊力-沖程曲線；圖5薄壁圓管在不同撞擊速度下的變形；圖6薄壁圓管在不同撞擊速度下的撞擊力-沖程曲線；圖7薄壁圓管在不同質(zhì)量的沖擊物下的變形；圖8薄壁圓管在不同質(zhì)量的沖擊物下的撞擊力-沖程曲線。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理及其推導(dǎo)過程進(jìn)行詳細(xì)說明 (1)薄壁圓管軸對稱動力屈曲動載荷分析及平均撞擊力的理論計(jì)算薄壁圓管受到軸向沖擊后，其整個彈塑性變形的過程可以分成三個階段第一階段為線性的彈性變形，沖擊載荷從零迅速增大到最大值，這種線彈性范圍內(nèi)的最大峰值載荷求解如下。假定沖擊物為剛體，受沖構(gòu)件的質(zhì)量可以省略。在線彈性變形階段，設(shè)沖擊物β按靜載的方式作用于構(gòu)件上，構(gòu)件的靜變形,靜應(yīng)變?yōu)榍蒮 H巧指受沖構(gòu)件到達(dá)最大彈性變形位置時的瞬息載荷、變形和應(yīng)力。有Q 知 ast假定薄壁圓管受沖擊時是水平放置的，系統(tǒng)勢能不變。如省略其他能量的損失，根據(jù)機(jī)械能守恒定律，沖擊物在此階段所減少的動能，應(yīng)等于受沖構(gòu)件的彈性變形能^^，有0.SmAV2 = 0.5P人解得受沖構(gòu)件在彈性變形階段的最大動載荷和動應(yīng)力為ι--j.........................n ^ ΔFa Q IAF2 Ε, =P -, σΑ=—-這個載荷值是相當(dāng)大的且經(jīng)歷的時間非常短，同時，沖擊載荷產(chǎn)生的擾動以彈、塑性波的形式在結(jié)構(gòu)中傳播。在截面相同的情況下，圓管較方管軟，故圓管的初始沖擊載荷較方管小，無需設(shè)計(jì)誘導(dǎo)槽。
第二階段動力漸進(jìn)屈曲，沖擊載荷達(dá)最大峰值，大于薄壁圓管的壓潰觸發(fā)力，薄壁圓管的某橫截面首先進(jìn)入屈服階段，產(chǎn)生局部屈曲，開始產(chǎn)生塑性流動，過屈服階段后，材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，要使它繼續(xù)變形必須增加應(yīng)力，即進(jìn)入材料的強(qiáng)化階段，所以每個疊縮形成時接觸面上的撞擊力出現(xiàn)小幅增大的情況。當(dāng)載荷達(dá)到最大值，薄壁圓管疊縮壓潰失效，載荷開始減小，直到兩個疊縮面接觸到一起，由于形成每一個疊縮上下兩段管壁各發(fā)生一個這樣的屈曲，因而每一對載荷峰值對應(yīng)著管子的一個疊縮。產(chǎn)生下一個局部屈曲。由于受沖構(gòu)件的阻抗，沖擊物的速度迅速減小，最終為零。到?jīng)_擊物的動能完全被消+ Asinndd = ImMAMR +4>4兩項(xiàng)之和為軸對稱變形模式下，一個疊縮吸收的彎曲變形能，這一部分和 Alexander的結(jié)論吻合。薄壁圓管的軸對稱疊縮長度A = ab = bc是未知的，根據(jù)Abramowicz 和Jones的證明，可取為式中， 為薄壁圓管的壁厚，根據(jù)Abramowicz和Jones的證明在各塑性鉸間金屬管壁伸張塑性變形所吸收的能量為耗掉時，受沖構(gòu)件到達(dá)整個沖擊過程中的最大沖程位置?？紤]每一個疊縮發(fā)生過程中薄壁圓管所承受的動載荷以及薄壁圓管內(nèi)發(fā)生的動應(yīng)力情況，設(shè)i^、Aii^cri/為每一個疊縮到達(dá)最大塑性變形位置時的瞬息載荷、變形和應(yīng)力，同理可以進(jìn)行上述推導(dǎo)，可以看出該值與硬化模量及構(gòu)件的幾何形狀相關(guān)。每形成一個疊縮時，其撞擊力都會出現(xiàn)類似的情況，即過了彈性階段每一個疊縮都不斷重復(fù)著屈服、然后強(qiáng)化的過程，載荷呈現(xiàn)一種持續(xù)的周期波動變化。
由于薄壁圓管在疊縮時，碰撞能量由參與疊縮的整個圓周部分吸收，不像方管僅由角邊部分吸收，中間部位對能量吸收的作用并不明顯，所以薄壁圓管的撞擊力及其波動比薄壁方管的撞擊力及其波動大。
第三階段彈性變形恢復(fù)階段，過此之后，最大沖程略有減小，即彈性回彈階段，引起結(jié)構(gòu)振動，在有阻尼的情況下，運(yùn)動最終歸于消失，由于沖程變化量較小，觀察不易被發(fā)現(xiàn)。還有一種情況，受沖構(gòu)件結(jié)構(gòu)自身的塑性變形已不能完全吸收沖擊動能，受沖構(gòu)件已達(dá)到了完全壓實(shí)階段，相當(dāng)于剛體，導(dǎo)致接觸面撞擊力迅速增大。
根據(jù)合理簡化，建立起外力做功與內(nèi)能耗散的能量平衡，外力所做的功等于管子塑性變形而耗散的內(nèi)能，從而求得壓縮過程中的平均壓縮載荷，進(jìn)而獲得能量吸收。這里假設(shè)薄壁圓管的低速軸向沖擊，可以忽略慣性力的影響。
如圖1，當(dāng)薄壁圓管形成一個疊縮時，a和c處的兩個固定軸對稱塑性鉸所吸收的塑性變形能為.w4 = 2Μ0 ·2Μ·令式中，M0為橫截面的塑性失效彎矩(每單位周長)，R為薄壁圓管的中徑，根據(jù)Mises 屈服條件M0與式中，O0為屈服應(yīng)力，在形成一個完整的疊縮時，位于b處的軸對稱塑性鉸的徑向位置 JAR增加到i + .ism θ。因此發(fā)生增量時，中間鉸b吸收的能量為
權(quán)利要求
1. 一種軸對稱變形薄壁圓管吸能裝置的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法利用以下數(shù)學(xué)模型確定所述薄壁圓管吸能裝置的材料及幾何尺寸，
2.如權(quán)利要求1所述軸對稱變形薄壁圓管吸能裝置的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法還包括利用下述三種方法中的至少一種對所述薄壁圓管吸能裝置的彎曲剛度進(jìn)行增強(qiáng)1)減小所述薄壁圓管的管長；2)在所述薄壁圓管軸向上增設(shè)活動支承；3)在所述薄壁圓管徑向增設(shè)加強(qiáng)筋。
3.如權(quán)利要求2所述軸對稱變形薄壁圓管吸能裝置的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述在薄壁圓管軸向上增設(shè)活動支承，具體是指在薄壁圓管軸向上增設(shè)至少一個與其串聯(lián)的薄壁圓管。
4.如權(quán)利要求2所述軸對稱變形薄壁圓管吸能裝置的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述在薄壁圓管徑向增設(shè)加強(qiáng)筋，具體是指在所述薄壁圓管的管壁屈曲半波長處增加T形截面的筋板。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軸對稱變形薄壁圓管吸能裝置的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明通過對薄壁圓管吸能裝置軸向動力屈曲的作用機(jī)理進(jìn)行研究，提出薄壁圓管的變形模式是由塑性應(yīng)力波的傳播速度和薄壁圓管全長的彎曲剛度兩者共同決定的，建立了塑性橫、縱波傳播速度和平均撞擊力的數(shù)學(xué)模型，揭示了薄壁圓管軸對稱動力屈曲的動載荷特點(diǎn)，用來對薄壁圓管吸能裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。薄壁圓管全長的彎曲剛度過小是軸對稱變形不穩(wěn)定的另一關(guān)鍵因素，本發(fā)明給出了三種解決辦法。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明建立的數(shù)學(xué)模型能夠?qū)Ρ”趫A管吸能裝置軸向動力屈曲的作用機(jī)理進(jìn)行科學(xué)地闡釋，并指導(dǎo)薄壁圓管吸能裝置的設(shè)計(jì)，可節(jié)省大量的時間、人力及物力，對于工程實(shí)踐具有重要指導(dǎo)意義。
文檔編號G06F17/50GK102521450SQ201110410118
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者晉萍, 聶宏 申請人:南京航空航天大學(xué)