专利名称：一种轴对称变形薄壁圆管吸能装置的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种吸能装置的设计方法，尤其涉及一种轴对称变形薄壁圆管吸能装置的设计方法，用于车辆碰撞实验研究和抗爆结构设计等领域。
背景技术：
薄壁圆管的大变形和吸能分析是从车辆耐撞性实验研究和抗爆结构设计等工程实际中提出来的。大量实验研究表明，设计合理的吸能系统不仅能有效吸收碰撞或爆炸产生的动能，而且能根据设计要求控制传递的载荷，确保结构的安全可靠。
近10多年来抗撞击车辆的设计研究己成为许多国家在铁路机车车辆、城市轨道车辆(地铁、轻轨车辆)的结构设计中的重要课题之一，通过提高客室的抗撞击性，在车体的特定部位设置碰撞能量吸收装置和防爬装置，达到发生意外碰撞时能吸收大部分碰撞动能和防止车辆交叠的目的，从而最大限度地减少人员伤亡和财产损失。车钩缓冲装置作为吸能结构，在整辆列车碰撞中起着重要的作用，压溃管作为车钩缓冲装置的主要吸能元件，其结构即薄壁圆管。列车在运行或者连挂过程中，在非正常状况下，车钩缓冲装置受到的纵向载荷超过压溃管触发力时，压溃管按照设计的变形模式，开始产生屈服扩张，以稳定的阻抗力发生塑性变形，最大限度吸收冲击能量。
薄壁圆管作为一种耐撞吸能结构，其本质是一类可压缩结构。可压缩结构是利用自身的不可逆破坏有效地耗散冲击能量的耐撞吸能结构的总称。可压缩结构缓冲技术已在航空航天工程中被普遍采用。薄壁圆管由于具有重量轻，吸能效率高，平稳可靠的缓冲特性，安装/替换灵活方便等优点，在航天工程中正越来越受到重视，并渐渐被应用到许多航天工程的缓冲系统。
在国防建设中，针对现代迅速发展的高强度、大当量爆炸产生的爆炸冲击载荷，采用过去的高强度、高刚度的纯刚性设计概念进行防护工程结构件设计，难以满足某些机动性和安全性同时达到技术指标的要求。一种引入缓冲、吸能机理的半刚性设计概念出现在现代防护工程设计中。在这一新概念的引导下，基于钢管在高速动力载荷下的流动性(屈曲发展)和吸能特性，针对爆炸载荷的爆炸效应，钢管开始被应用于军事防护工程设施。
薄壁圆管结构在压缩/冲击载荷作用下呈现很高的吸能效率，但由于其材料、结构范围广泛，受力条件及其损伤、破坏过程复杂，至今对其规律认识远不充分。薄壁圆管缓冲吸能特性及其应用研究越来越受到理论和工程界的重视。对于薄壁圆管大变形模式的研究，国内外一些力学界和工程界专家做了大量的实验，在动态试验下，薄壁圆管先出现轴对称变形模式，继而转化为非轴对称变形模式。转化的机理现在还不甚明了，只知道对于这类尺寸的薄壁圆管，两种模式所要求的撞击力相差甚微，因而两种模式都可能被激发。
综上所述，目前尚未出现一套完整精确的理论模型对薄壁圆管吸能装置在吸能过程中的作用机理进行阐释，在薄壁圆管吸能装置的设计中缺乏理论指导，需要进行大量的实验，时间和金钱的耗费巨大。发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，对薄壁圆管吸能装置轴向动力屈曲的作用机理进行深入分析和研究，建立科学准确的数学模型，提供一种轴对称变形薄壁圆管吸能装置的设计方法，具有可靠的精度，对实验依赖小，可节省大量的人力、财力和时间。
具体而言，本发明采用以下技术方案解决上述技术问题一种轴对称变形薄壁圆管吸能装置的设计方法，该方法利用以下数学模型确定所述薄壁圆管吸能装置的材料及几何尺寸，式中，忍为薄壁圆管接触面上的平均撞击力；i 为薄壁圆管的中径；I为薄壁圆管的壁厚；D、P是薄壁圆管所使用材料的材料常数；巧为材料的静态屈服应力；巧为叠缩最大塑性应变时的应力，可近似取静态强度极限；F为撞击时的接近速度；Cf1、C2分别为薄壁圆管中塑性纵波、塑性横波的传播速度，为薄壁圆管所使用材料的材料密度4力薄壁圆管的横截面面积；为塑性应力应变曲线上应变处的斜率；设计时，塑性横波和纵波的传播速度要协调，即在由G所决定的一个叠缩的完成时间内，由G所决定的塑性横波的传播距离为屈曲波的半波长。
进一步地，该方法还包括利用下述三种方法中的至少一种对所述薄壁圆管吸能装置的弯曲刚度进行增强1)减小所述薄壁圆管的管长；2)在所述薄壁圆管轴向上增设活动支承；3)在所述薄壁圆管径向增设加强筋。
优选地，所述在薄壁圆管轴向上增设活动支承，具体是指在薄壁圆管轴向上增设至少一个与其串联的薄壁圆管。
优选地，所述在薄壁圆管径向增设加强筋，具体是指在所述薄壁圆管的管壁屈曲半波长处增加T形截面的筋板。
相比现有技术，本发明所建立的数学模型能够对薄壁圆管吸能装置的作用机理进行科学地阐释，并指导薄壁圆管吸能装置的设计，可节省大量的时间、人力及物力。对于工程实践具有重要指导意义。
图1薄壁圆管理想轴对称叠缩模型； 图2圆形梁微元体的受力图；图3不同管长的薄壁圆管受撞击时的变形；图4不同管长的薄壁圆管受撞击时的撞击力-冲程曲线；图5薄壁圆管在不同撞击速度下的变形；图6薄壁圆管在不同撞击速度下的撞击力-冲程曲线；图7薄壁圆管在不同质量的冲击物下的变形；图8薄壁圆管在不同质量的冲击物下的撞击力-冲程曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理及其推导过程进行详细说明 (1)薄壁圆管轴对称动力屈曲动载荷分析及平均撞击力的理论计算薄壁圆管受到轴向冲击后，其整个弹塑性变形的过程可以分成三个阶段第一阶段为线性的弹性变形，冲击载荷从零迅速增大到最大值，这种线弹性范围内的最大峰值载荷求解如下。假定冲击物为刚体，受冲构件的质量可以省略。在线弹性变形阶段，设冲击物β按静载的方式作用于构件上，构件的静变形,静应变为巧f H巧指受冲构件到达最大弹性变形位置时的瞬息载荷、变形和应力。有Q 知 ast假定薄壁圆管受冲击时是水平放置的，系统势能不变。如省略其他能量的损失，根据机械能守恒定律，冲击物在此阶段所减少的动能，应等于受冲构件的弹性变形能^^，有0.SmAV2 = 0.5P人解得受冲构件在弹性变形阶段的最大动载荷和动应力为ι--j.........................n ^ ΔFa Q IAF2 Ε, =P -, σΑ=—-这个载荷值是相当大的且经历的时间非常短，同时，冲击载荷产生的扰动以弹、塑性波的形式在结构中传播。在截面相同的情况下，圆管较方管软，故圆管的初始冲击载荷较方管小，无需设计诱导槽。
第二阶段动力渐进屈曲，冲击载荷达最大峰值，大于薄壁圆管的压溃触发力，薄壁圆管的某横截面首先进入屈服阶段，产生局部屈曲，开始产生塑性流动，过屈服阶段后，材料又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形必须增加应力，即进入材料的强化阶段，所以每个叠缩形成时接触面上的撞击力出现小幅增大的情况。当载荷达到最大值，薄壁圆管叠缩压溃失效，载荷开始减小，直到两个叠缩面接触到一起，由于形成每一个叠缩上下两段管壁各发生一个这样的屈曲，因而每一对载荷峰值对应着管子的一个叠缩。产生下一个局部屈曲。由于受冲构件的阻抗，冲击物的速度迅速减小，最终为零。到冲击物的动能完全被消+ Asinndd = ImMAMR +4>4两项之和为轴对称变形模式下，一个叠缩吸收的弯曲变形能，这一部分和 Alexander的结论吻合。薄壁圆管的轴对称叠缩长度A = ab = bc是未知的，根据Abramowicz 和Jones的证明，可取为式中， 为薄壁圆管的壁厚，根据Abramowicz和Jones的证明在各塑性铰间金属管壁伸张塑性变形所吸收的能量为耗掉时，受冲构件到达整个冲击过程中的最大冲程位置。考虑每一个叠缩发生过程中薄壁圆管所承受的动载荷以及薄壁圆管内发生的动应力情况，设i^、Aii^cri/为每一个叠缩到达最大塑性变形位置时的瞬息载荷、变形和应力，同理可以进行上述推导，可以看出该值与硬化模量及构件的几何形状相关。每形成一个叠缩时，其撞击力都会出现类似的情况，即过了弹性阶段每一个叠缩都不断重复着屈服、然后强化的过程，载荷呈现一种持续的周期波动变化。
由于薄壁圆管在叠缩时，碰撞能量由参与叠缩的整个圆周部分吸收，不像方管仅由角边部分吸收，中间部位对能量吸收的作用并不明显，所以薄壁圆管的撞击力及其波动比薄壁方管的撞击力及其波动大。
第三阶段弹性变形恢复阶段，过此之后，最大冲程略有减小，即弹性回弹阶段，引起结构振动，在有阻尼的情况下，运动最终归于消失，由于冲程变化量较小，观察不易被发现。还有一种情况，受冲构件结构自身的塑性变形已不能完全吸收冲击动能，受冲构件已达到了完全压实阶段，相当于刚体，导致接触面撞击力迅速增大。
根据合理简化，建立起外力做功与内能耗散的能量平衡，外力所做的功等于管子塑性变形而耗散的内能，从而求得压缩过程中的平均压缩载荷，进而获得能量吸收。这里假设薄壁圆管的低速轴向冲击，可以忽略惯性力的影响。
如图1，当薄壁圆管形成一个叠缩时，a和c处的两个固定轴对称塑性铰所吸收的塑性变形能为.w4 = 2Μ0 ·2Μ·令式中，M0为横截面的塑性失效弯矩(每单位周长)，R为薄壁圆管的中径，根据Mises 屈服条件M0与式中，O0为屈服应力，在形成一个完整的叠缩时，位于b处的轴对称塑性铰的径向位置 JAR增加到i + .ism θ。因此发生增量时，中间铰b吸收的能量为
权利要求
1. 一种轴对称变形薄壁圆管吸能装置的设计方法，其特征在于，该方法利用以下数学模型确定所述薄壁圆管吸能装置的材料及几何尺寸，
2.如权利要求1所述轴对称变形薄壁圆管吸能装置的设计方法，其特征在于，该方法还包括利用下述三种方法中的至少一种对所述薄壁圆管吸能装置的弯曲刚度进行增强1)减小所述薄壁圆管的管长；2)在所述薄壁圆管轴向上增设活动支承；3)在所述薄壁圆管径向增设加强筋。
3.如权利要求2所述轴对称变形薄壁圆管吸能装置的设计方法，其特征在于，所述在薄壁圆管轴向上增设活动支承，具体是指在薄壁圆管轴向上增设至少一个与其串联的薄壁圆管。
4.如权利要求2所述轴对称变形薄壁圆管吸能装置的设计方法，其特征在于，所述在薄壁圆管径向增设加强筋，具体是指在所述薄壁圆管的管壁屈曲半波长处增加T形截面的筋板。
全文摘要
本发明公开了一种轴对称变形薄壁圆管吸能装置的设计方法。本发明通过对薄壁圆管吸能装置轴向动力屈曲的作用机理进行研究，提出薄壁圆管的变形模式是由塑性应力波的传播速度和薄壁圆管全长的弯曲刚度两者共同决定的，建立了塑性横、纵波传播速度和平均撞击力的数学模型，揭示了薄壁圆管轴对称动力屈曲的动载荷特点，用来对薄壁圆管吸能装置的设计进行指导。薄壁圆管全长的弯曲刚度过小是轴对称变形不稳定的另一关键因素，本发明给出了三种解决办法。相比现有技术，本发明建立的数学模型能够对薄壁圆管吸能装置轴向动力屈曲的作用机理进行科学地阐释，并指导薄壁圆管吸能装置的设计，可节省大量的时间、人力及物力，对于工程实践具有重要指导意义。
文档编号G06F17/50GK102521450SQ201110410118
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月12日 优先权日2011年12月12日
发明者晋萍, 聂宏 申请人:南京航空航天大学