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淺談不同管狀和材料對(duì)結(jié)構(gòu)能量吸收性能的影響論文
近年來(lái)，頻繁的汽車碰撞、大型船舶撞擊以及飛機(jī)或航天器的緊急著陸等，這些事故不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還對(duì)乘員的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅.為了保護(hù)乘員安全和降低結(jié)構(gòu)的損毀程度，許多學(xué)者對(duì)能量吸收裝置進(jìn)行了大量的研發(fā)，其中尤以管狀結(jié)構(gòu)在能量吸收裝置中的應(yīng)用最為廣泛。近20年來(lái)，人們對(duì)各種管件的能量吸收性能做了詳細(xì)的分析，如圓管、方管、多角形薄壁管、預(yù)制圖案的管、開(kāi)窗的管、沿軸向呈錐形的管等等。
表征各類管件結(jié)構(gòu)的能量吸收性能的因素很多.首先，平均壓縮力對(duì)管件的能量吸收性能有著至關(guān)重要的作用.平均壓縮力代表了結(jié)構(gòu)的承載能力，其大小和壓縮位移共同決定了整個(gè)結(jié)構(gòu)的能量吸收能力.始于Alexander的多位研究者提出了軸向壓縮下圓管和方管的理論分析模型，給出了平均壓縮力的理論預(yù)測(cè)公式。同時(shí)，單位重量的能量吸收能力是比較實(shí)際結(jié)構(gòu)的能量吸收能力的另一個(gè)重要指標(biāo)，它對(duì)于需要限制重量的能量吸收元件尤為重要，但目前對(duì)于單位重量的能量吸收能力的計(jì)算方式尚沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。
由于上述各評(píng)價(jià)參數(shù)僅僅停留在個(gè)別材料或管件比較的層面上，因此希望能夠提出一套具有普遍適用性的評(píng)估指標(biāo)體系，用來(lái)評(píng)價(jià)和比較各類管件的能量吸收性能，進(jìn)而為能量吸收裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。
筆者介紹了有效行程比(Effective Stroke Ratio,ESR)、結(jié)構(gòu)承載能力(Non-dimensional Load-carryingCapacity, NLC)·單位重量的能量吸收能力(SpecificEnergy Absorption, SEA)、吸能有效率(Effectivenessof Energy Absorption, EEA)和載荷波動(dòng)度(Undulationof Load-carrying Capacity, ULC) 5項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)，并用這套評(píng)估指標(biāo)體系全面分析和比較了軸向壓縮下鋁合金和低碳鋼2種材料的圓管和方管的能量吸收性能。
1評(píng)估指標(biāo)體系
對(duì)于軸向壓縮下的薄壁金屬管件，漸進(jìn)壓潰的薄壁管件的承載會(huì)呈現(xiàn)出3個(gè)明顯的階段:初始屈曲階段、平臺(tái)階段、壓實(shí)階段.初始屈曲階段存在初始峰值載荷;在平臺(tái)階段中載荷大體平穩(wěn)，但隨著管的漸進(jìn)屈曲會(huì)呈現(xiàn)出顯著的波動(dòng);壓實(shí)階段則表現(xiàn)為載荷迅速增加。
值得指出的是，過(guò)去由于對(duì)由平臺(tái)階段到壓實(shí)階段的過(guò)渡點(diǎn)缺乏統(tǒng)一和明確的定義，許多文獻(xiàn)在確定有效壓縮行程和計(jì)算相應(yīng)的平均載荷時(shí)常常帶有隨意性，例如有效壓縮行程有的取值為0.7，有的取為0.8等等，這種情況也給不同文獻(xiàn)的結(jié)果比較帶來(lái)了困難.現(xiàn)在我們給出了有效壓縮行程的明確定義，增強(qiáng)了客觀性和確定性，為下一步建立評(píng)估指標(biāo)體系奠定了基礎(chǔ)。
2管件的能量吸收性能分析根據(jù)軸向壓縮下的管件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和近似理論模型的預(yù)測(cè)，評(píng)價(jià)指標(biāo)下的能我們分析和比較各類管件在各個(gè)量吸收能力。
3結(jié)論
根據(jù)能量吸收裝置的設(shè)計(jì)要求，提出了一個(gè)較為全面的能量吸收評(píng)估指標(biāo)體系，它包含有效行程比、結(jié)構(gòu)承載能力、單位重量的能量吸收能力、吸能有效率和載荷波動(dòng)度.為了比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果的一致性，將鋁圓管的NLC, SEA和EEA的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型進(jìn)行了比較，結(jié)果表明各個(gè)評(píng)估指標(biāo)隨管件密實(shí)度的變化趨勢(shì)與理論結(jié)果相一致，但實(shí)驗(yàn)值均略高于理論結(jié)果。
另外，為了比較和分析截面對(duì)管件能量吸收能力的影響，給出了圓管和方管的各個(gè)評(píng)估指標(biāo)隨密實(shí)度變化曲線，結(jié)果表明，除了載荷波動(dòng)度外圓管的能量吸收能力均優(yōu)于方管.同時(shí)，為了比較和分析材料對(duì)管件能量吸收能力的影響，從各個(gè)評(píng)估指標(biāo)隨密實(shí)度的變化曲線發(fā)現(xiàn)，就有效行程比、結(jié)構(gòu)承載能力和吸能有效率而言，材料對(duì)管件的能量吸收性能影響不大，但對(duì)單位重量的能量吸收能力和載荷波動(dòng)度，鋁合金管件的能量吸收能力和載荷波動(dòng)程度要優(yōu)于低碳鋼管件。
顯然，這些評(píng)估指標(biāo)可以用于評(píng)估各類能量吸收結(jié)構(gòu)和材料的能量吸收性能，包括多胞材料，從而為能量吸收裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。
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