八边形组合结构薄壁管耐撞性研究.docx

? ? 八边形组合结构薄壁管耐撞性研究 ? ? 刘岩松，马建宇，马 箫 (沈阳航空航天大学 民用航空学院，辽宁 沈阳 110135) 0 引 言 高速发展的交通运输工具给人们的生活出行带来极大的便利，但同时碰撞事故的发生也越发频繁，严重威胁到了人们的生命和财产安全。这就使得结构耐撞性的作用与地位在载运工具的设计中越来越突出。由于金属薄壁结构具有优异的吸能性能和力学特性，从而获得了研究人员的重点关注，并且被广泛应用于汽车、轮船和航空航天等领域[1]。 交通运输工具的快速发展对薄壁结构的抗冲击能力提出了更高的要求，众多学者在提高金属薄壁结构的耐撞性方面做了大量的工作。在不同边数的多边形金属薄壁管耐撞性的研究中，张宗华等[2]对轴向加载下的6种多边形金属薄壁结构的吸能性能进行了研究，发现多边形薄壁结构随着多边形顶点数目的增加，其吸能量也随之增加，在八边形之后其吸能量变化却趋于平稳。还有学者通过增加胞元的方法设计了金属多胞薄壁吸能结构，并对其耐撞性进行研究。Zhang 等[3]通过有限元数值仿真方法对铝合金矩形单胞和多胞薄壁管的耐撞性进行了研究，发现多胞矩形管的吸能效果较单胞矩形管要更好； Nia 等[4]通过试验研究了轴向准静态下的多个多边形单胞和多胞管的吸能性能，研究表明多胞管吸能能力大于单胞管且六边形和八边形多胞管具有较高的比吸能。同时，学者们也对多边形相互组合嵌套的结构进行了研究。白中浩等[5]在研究八边形薄壁结构的耐撞性时提出了一种八边形与八边形组合的多胞薄壁结构，并通过碰撞实验的方法对其耐撞性进行了研究；刘亚军[6]则通过内嵌多边形与外接圆管的方式设计了两类新型多胞薄壁结构，发现内嵌多边形结构吸能效果明显优于外接圆管的结构。此外，一些学者在生物的微观结构中也发现了多边形的多胞结构。Bai等[7]基于甲虫鞘翅的微观结构设计了一系列多边形仿生多胞管，并对其耐撞性进行了研究，结果表明八边形仿生多胞管的耐撞性优于其他多边形仿生多胞管。综上所述，八边形多胞结构有着优越的吸能性能。但到目前为止，八边形与其他多边形的组合薄壁结构还没有人进行深入研究。 根据上述研究结果，将圆、正方形、六边形、八边形薄壁管分别与八边形薄壁管进行组合嵌套，设计了一系列不同截面布置的新型八边形组合结构薄壁管件，通过理论计算和数值仿真，得到吸能性能数据和载荷-位移曲线，最后经过横向与纵向的比较来研究新结构在轴向压缩下的耐撞性。 1 八边形组合薄壁管几何结构 八边形组合结构薄壁管是以八边形薄壁管为外壁，其他基础多边形薄壁管为内壁，两者之间通过肋板相互组合而构成。八边形组合结构的基础截面(Cir、Squ、Hex和Oct)和组合结构截面(O-cir、O-squ、O-hex和O-oct)如图1所示。通过不同的命名来表示各个结构。 为了减少胞体个数对八边形组合结构耐撞性的影响，对所有组合薄壁结构均加入了4个肋板来连接内外壁，形成五胞结构。八边形组合结构薄壁管的外壁周长为180 mm，内壁周长为90 mm，壁厚t为2 mm。基础多边形结构薄壁管的周长为180 mm，其他参数同上。所有管件长度均为200 mm。 图1 基础结构截面图和八边形组合结构截面图 2 理论计算 2.1 简化超折叠单元理论 八边形组合薄壁管在轴向撞击下的平均碰撞载荷可用 Chen 等[8]在Wierzbicki和Abramowicz[9]的超折叠单元理论(SFE)的基础上所提出的简化超折叠单元理论来计算。 在简化超折叠单元理论中，假定了一个具有三个拉伸变形区域和三条固定铰线的基础折叠单元，如图2所示。据能量守恒原理，折叠单元上加载外力所做的功转化为弯曲变形能和薄膜变形能，即: Fm·2H·k=Eb+Em (1) 式中：Fm为理论平均压溃力；H代表折叠波长；k代表有效碰撞系数(k=0.7，为压缩距离与管长之比)；Eb、Em分别指弯曲变形能和薄膜变形能。 图2 简化折叠单元示意图 2.2 结构弯曲变形能 八边形组合结构的弯曲变形能Eb可以通过统计面板单元的 3 条静态塑铰线的能量耗散求得，当折叠单元被完全压平时，三个塑性铰链的转动角度线分别是 π/2，π，π/2, 如图3所示，有如下公式[10]: Eb=2πM0Lc (2) 式中：Lc为压缩截面边长；M0为压溃折叠弯曲力矩，其计算公式为： (3) 式中：σ0为材料的流动应力，其计算公式如下： (4) 式中：σy、σu分别为屈服强度，抗拉强度。 图3 简化折叠单元截面图 2.3 结构膜变形能 为了分析八边形组合结构在轴向压溃下的膜变形能，根据其他学者[11-12]的研究，薄壁管结构压缩过程中，将复杂截面看做多个单元结构的组合。八边形组合薄壁结构主要由4种基础单元组合而成,如图4所示。分别为：圆单元，2-板单元，3-板单元和 T形单元，如图5所示。 图