侧向冲击载荷下金属薄壁圆管内填充泡沫铝的吸能特性研究

运用有限元软件Ls-dyna对泡沫铝填充金属薄壁圆管受侧向冲击载荷进行了数值仿真分析。通过模拟结果与实验结果的对比,验证了有限元模型的有效性与计算结果的精确性;进而研究了管的几何参数、泡沫铝的密度与冲击速度等因素对其变形与吸能特性的影响。研究结果表明:在侧向冲击载荷作用下泡沫铝填充管的压溃可以分为3个阶段,初始碰撞阶段、塑性变形阶段和密实化阶段;与空管相比,泡沫铝填充管的侧向冲击载荷、总吸能与比吸能显著增大。管的几何尺寸、泡沫铝密度、冲击速度等对泡沫填充管的吸能性能影响较大。当冲击速度超过一定数值时,填充管的变形模式发生改变,由对称变形变为非对称的变形。     

轴向压缩下泡沫铝填充薄壁圆管吸能特性研究

利用有限元软件ABAQUS对7种不同几何尺寸的泡沫铝填充管进行准静态轴向压缩的数值仿真分析,系统地研究了管的高度、壁厚、直径以及泡沫铝的填充对圆管吸能性能的影响;与实验对比,分析了7种泡沫铝填充试件的平均载荷、初始峰值载荷、比吸能(ESA)和压缩力效率(ECF)等吸能评价指标。研究结果表明,泡沫铝填充管在准静态轴向压缩时,管的壁厚与直径对管的吸能性能有显著影响;管的高度对其吸能性能影响较小,但高度的增加可以增加管的总吸能;泡沫铝的填充提高了管的承载力、总吸能、比吸能和压缩力效率。本研究成果可为设计理想的缓冲吸能装置提供一定的技术依据。     

撞击作用下泡沫铝填充结构吸能特征

泡沫铝是由金属铝制成,由于铝具有较低的强度,导致泡沫铝本身的承载能力和吸能特性受到局限.典型的抗振吸能结构是泡沫铝填充结构或夹芯结构.采用实验和数值模拟方法分析了泡沫铝填充结构在冲击作用下的变形特征与吸能特性.研究表明,填充结构中钢制圆柱壳在整个冲击吸能过程中占主要地位,它与泡沫的相互作用使得变形过程中的能量吸收和初始失稳载荷随冲击速度的提高而增加;当钢制圆柱壳的壁厚增加时,峰值塌陷载荷和总的吸能也提高.在100 kg范围内,冲击质量对初始峰值塌陷载荷的影响不大.由于钢壳是主要的承载和吸能部件,要想提高泡沫铝填充结构的吸能特性,需要合理地设计泡沫密度与钢壳厚度,充分利用它们之间的相互作用关系.     

泡沫填充圆管的动态轴向压缩吸能特性

为开发可用于汽车安全设计和航天器回收等领域的新型碰撞吸能结构,在泡沫填充圆管受准静态轴向压缩吸能特性分析模型的基础上,建立了轴向压缩条件下的动态吸能特性分析模型。分析结果表明,加载速率对泡沫填充圆管的吸能能力有较大影响,吸能能力随加载速率的增大而提高。该文还采用LS-DYNA软件对泡沫填充圆管的轴向压缩吸能过程进行了数值模拟,并与理论分析结果进行了对比。结果表明,二者具有较好的一致性。     

轴向载荷下蜂窝填充薄壁锥管的吸能特性

基于数值仿真和台车冲击实验,研究轴向载荷下隔板、蜂窝填充对薄壁锥管变形模式、吸能性能的影响。考虑填充蜂窝尺寸影响,提出蜂窝分段均匀填充结构和梯度蜂窝填充结构2种改进方案,并分析其吸能特性。研究结果表明:在轴向载荷下,薄壁锥管、加隔板锥管、蜂窝填充带隔板锥管这3种结构的吸能量分别为73.2,133.2和221.0 kJ;隔板的增加使薄壁管的吸能量增加82.0%,填充蜂窝和隔板的增加使薄壁管的吸能量增加201.9%;由于蜂窝与薄壁管的相互影响,与原始蜂窝填充吸能结构相比,改进结构C1和C2在轴向冲击下的吸能量分别提高21.1%和24.3%;隔板与蜂窝的共同作用可以提高薄壁锥管的吸能量,同时变形更加稳定、有序可控。     

低碳钢和不锈钢圆管轴向冲击碰撞吸能特性研究

针对金属圆管的吸能设计，通过落锤试验和动力显式有限元法对低碳钢和不锈钢圆管的碰撞吸能特性进行了研究。研究发现：轴向冲击下圆管的失效模式分为轴对称模式、过渡模式和非轴对称模式，初始几何缺陷的随机性是产生不同失效模式的原因之一。给出了平均碰撞力的设计公式，最后探讨了采用铝基蜂窝状填充材料对圆管耐撞强度的影响。     

含孔薄壁方管结构吸能的数值模拟研究

针对含孔薄壁方管的力学性能有较大差异的问题,对于不同结构的铝合金薄壁方管,分别进行轴向冲击载荷作用下的有限元数值模拟的动态力学行为研究. 比较了各种薄壁开孔结构的能量吸收性能,及其耐撞性的各种参数,如比吸能(SEA)及平均破坏力、峰值破坏力等. 研究结果表明,与无孔方管对比,开孔方管初始峰值载荷变化很小,但是其比吸能有不同程度的变化. 在本文研究的范围内,开孔位置为L₀=0.50L的4方孔方管吸能效果最好.     

复合橡胶的吸能特性研究

对尼龙、涤纶等4种复合橡胶材料进行了SPHB实验和吸能特性的分析,通过数据比较得知涤纶橡胶的吸能性相对较好。     

铝合金薄壁挤压管在准静态和动态载荷下的有限元模拟

使用韧性损伤判据,剪切损伤判据和MSFLD损伤判据分别对铝合金薄壁管在三点弯曲(3PB)和轴向冲击载荷作用下的试验进行有限元模拟.模拟结果表明:铝合金薄壁管在三点弯曲(3PB)和轴向冲击载荷作用下,随着薄壁管上的应力状态的不断变化,损伤形式主要是韧性损伤,剪切损伤和MSFLD损伤的组合,单一的损伤模型无法全面地描述铝合金薄壁管在复杂应力条件下的损伤及变形行为.模拟结果的载荷-位移曲线与试验的载荷-位移曲线吻合得很好.同时,轴向冲击模拟结果显示出铝合金薄壁管具有很好的吸能性.     

薄壁结构吸能预测的多元非线性回归分析

为了研究试验参数对薄壁金属结构吸能特性的影响规律,预测和分析这一类型的薄壁结构吸能特性,针对轴向冲击载荷作用下薄壁结构动态响应的非线性特性,以数值模拟为基础,建立了结构吸能特性参数与试验参数之间的多元二次非线性回归模型,编制了Gauss-Newton迭代算法程序对该非线性回归模型参数进行求解.以方形薄壁结构为例,得到了比吸能E_s,有效撞击力AE和有效撞击行程SE分别与试验参数之间的非线性拟合数学方程,最后使用该二次非线性回归模型对这一类型的方形薄壁结构在轴向冲击载荷作用下的吸能特性进行预测.结果表明:方形薄壁结构各项吸能特性参数的回归值与试验值的相对误差控制在±6.0%以内,比吸能E_s、有效撞击力AE和有效撞击行程SE的相对预测误差平均值分别为0.683%、4.604%和3.392%,说明该模型预测精度比较理想.     

核心高强钢管混凝土柱轴压性能的试验研究

在对 10根核心高强钢管混凝土柱试件轴心受压试验现象和数据分析的基础上 ,对核心柱的力学性能进行了初步的探索 ,并分析了核心柱的钢管含率、纵筋配筋率、配箍率和截面形式等因素对该种构件性能的影响     

Eccentricity Effects on the Crushing History and Energy Absorption of Metal Tubes Collapsed in Concertina Mode

The classical problem of a round metal tube collapsing in concertina mode when subjected to axial compressive loading has been reexamined both theoretically and experimentally. The model including an eccentricity factor proposed by Wierzbicki et al. and modified by Singace et al. has been taken one step further to obtain the real load-displacement history and to investigate eccentricity effects. The influence of the eccentricity parameter m on the mean crushing load was discussed according to the present analysis.Experiments were carried out to verify the eccentricity effects. The results show that experimental and theoretical load-displacement curves match perfectly, especially in terms of half wavelength. Unlike previous researchs, the results suggest that m is not a fixed value and may affect energy absorption.     

RPC预制管混凝土组合柱组合效应试验研究

配有高强螺旋箍筋的活性粉末混凝土(RPC)预制管内浇筑混凝土,形成一种新型组合结构——RPC预制管混凝土组合柱(CFRT).对9个不同箍筋间距的CFRT,3个箍筋约束混凝土柱和3个RPC空管开展轴向抗压试验,研究RPC管与内部混凝土之间的组合效应,以及箍筋间距对CFRT轴压性能的影响.结果表明:在荷载峰值下,组合柱中的RPC管没有出现明显的剥落现象,构件截面较为完整;CFRT柱的承载力显著高于对应的箍筋约束混凝土柱和RPC空管两者单独的承载力之和,在承载力上实现了超叠加;CFRT中配置的箍筋间距越小,组合柱的抗压性能越好;基于Mander模型和相应的简化,对CFRT的组合效应进行了分析,RPC管对组合柱的轴向承载力贡献在0.22~0.26之间,且随箍筋间距的增大而有提高的趋势,并提出了CFRT轴向承载力计算方法.     

火灾后方钢管再生混凝土轴压有限元分析

在确定了火灾后钢管与再生混凝土的本构关系、单元类型及界面接触模型的基础上,根据构件的几何和材料非线性,建立了火灾后钢管再生混凝土轴压构件的ABAQUS有限元模型.利用有限元模型计算结果,对比了不同温度和不同取代率下的方钢管再生混凝土轴压短柱的载荷-应变关系曲线.结果表明,随着温度的升高,钢管再生混凝土的极限承载力整体上呈下降趋势,极限承载力随着再生粗骨料取代率的增大而逐渐降低.     

弯曲铝合金方管的轴压性能试验研究

为研究带初弯曲度铝合金方管的轴压承载力,完成了8个试件的轴压稳定性试验,并建立了与试验条件一致的有限元模型。通过对比试验和有限元分析结果验证了有限元模型的可靠性。结果表明,带有较大初弯曲度铝合金方管的破坏模式为整体弯曲失稳。最后,根据有限元分析结果拟合得到较大初弯曲度铝合金方管的整体稳定系数计算式,并将拟合计算式结果和数值分析结果及试验结果进行对比,验证了计算式的正确性。     

方钢管钢骨高强混凝土轴压柱有限元分析

为了分析方钢管钢骨混凝土轴压柱的工作机理,采用ANSYS有限元软件对其轴压柱受力进行了全过程数值模拟.结果表明,采用修正的方钢管内核心约束混凝土本构关系模型可以很好地模拟极限承载力及峰值应变;有限单元在发生high distortion以前的下降段与试验曲线变化基本一致,但其后的变形不能代表真实的受力状态.因此,利用ANSYS进行钢管钢骨高强混凝土的弹性与弹塑性分析结构是可行的.     

钢管高钛矿渣砂超高强混凝土短柱轴压力学性能试验研究

高钛矿渣是较好的内养护材料,将其作为细集料制备超高强混凝土灌入钢管,可减小核心混凝土收缩造成的脱黏、脱空,提高钢管超高强混凝土组合结构构件强度。通过10根钢管混凝土短柱轴压测试,研究分析了高钛矿渣砂取代率对钢管高钛矿渣砂超高强混凝土轴压力学性能的影响,结果表明：高钛矿渣砂取代率对钢管混凝土试件的破坏形态、荷载-位移曲线、应力-应变曲线、应力-横向变形系数曲线规律无明显影响,试件均为剪切破坏模式;随着高钛矿渣砂取代率的增加,钢管混凝土试件的承载力与初始刚度随之增加,在取代率为60%时,均达到最大值;由于核心混凝土强度过高,试件含钢率偏小,钢管对核心混凝土约束效应有限,实测承载力小于规范计算承载力。     

钢管混凝土短柱轴压力学性能分析及其数值模拟

钢管混凝土短柱是研究钢管混凝土最基本的构件,研究钢管混凝土短柱有助于了解钢管混凝土的力学性能,为研究其他构件提供了一个基础。对钢管混凝土短柱的力学性能进行了分析,归纳总结了短住轴压承载力理论计算公式,并采用有限元软件ABAQUS对不同壁厚钢管混凝土短柱进行轴心受压模拟。总结得出,随着壁厚的增加,钢管混凝土短柱的极限承载能力逐步提高,二者之间符合线性关系。将数值模拟软件计算求得不同壁厚短柱极限承载力与理论公式计算得出的值做出对比分析,校核发现两者较为接近,说明数值模拟计算效果良好。最后,总结分析位移荷载曲线,提出钢管混凝土短柱塑性破坏角概念。随着钢管壁厚的增加,短柱塑性变形能力提高,塑性破坏角变大,当壁厚达到11.185 1 mm时,短柱发生理想塑性变形。