挤压速度对Al-Mg-Si合金压溃性能的影响

【目的】铝合金吸能盒作为汽车防撞梁的关键部件,其压溃性能是产品重要的衡量指标,而挤压速度也是挤压工艺的重要参数,因此研究挤压速度对铝合金压溃性能的影响具有重要意义。【方法】课题组以6063铝合金为试验材料,重点研究了挤压速度对Al-Mg-Si吸能盒型材力学性能、布氏硬度、电导率、微观组织和压溃性能的影响。【结果】1)挤压速度越快,合金拉伸后屈服强度、抗拉强度和硬度越高,而延伸率逐渐下降,但电导率变化并不明显;2)型材挤压后均呈现粗晶层,随着挤压速度增加,再结晶晶粒逐步向型材内部扩散,这与变形金属和模具间摩擦力密切相关;3)挤压速度越快,经70%压溃试验后裂纹数量和尺寸越明显,这与型材再结晶程度相关,当挤压速度为3 mm/s时其压溃性能最好。

基于平台力波动的压溃管结构参数优化设计

在列车碰撞时,车钩缓冲装置是最先开始发生变形的部分,其能量吸收特性、压溃平稳性会影响后续列车碰撞的动态行为特性。为提高车钩缓冲装置在碰撞过程中压溃的平稳性,采用基于模型的多目标遗传算法的优化方法,研究车钩压溃管吸能结构碰撞力学参数的最优配置。通过建立车钩压溃管仿真模型,分析比对仿真模型与试验测试的力学曲线,采用样本方差S2体现平台力波动,分析压溃管厚度T,加压管锥角α和加压管外半径r对比吸能(Sea)、平台力(Favg)和平台力波动(S2)的影响。将Sea,|Favg-1200|作为评价指标,S2作为约束,基于试验设计采用径向基函数法建立T,α和r关于Sea和|Favg-1200|的响应面模型,并基于模型采用多目标遗传算法对车钩压溃管结构的力学参数进行多目标优化,通过多目标优化的帕累托前沿得到了车钩压溃管的最优参数配置。研究结果表明:在所有的设计变量中,加压管外半径r对Sea的影响最大,压溃管厚度T对Favg影响最大,加压管外半径r对S2影响最大。除加压管外半径r对S2是负相关的关系,其余变量对Sea,Favg和S2都是正相关的关系。在最优参数配置下Sea提高了12.16%,Favg提高了8.35%,S2下降了58.47%,吸能量提高了6.34%。优化后的力学参数配置方案提高了车钩的吸能量,降低了压溃管平台力的波动,提高了车钩压溃管在碰撞过程中压溃的平稳性。

含椭圆度和腐蚀缺陷海底管道的压溃承载能力研究

深水海底管道在服役过程中,在管道内部腐蚀介质及外部海水复杂条件作用下,管道会形成腐蚀、椭圆度等几何缺陷,在海水压力作用下,还容易发生压溃并造成管道失效。本文研究建立了椭圆度+腐蚀缺陷海底管道模型,基于RIKS方法对管道的压溃过程进行数值模拟,分析了不同椭圆度以及内腐蚀缺陷长度、宽度和深度对管道压溃压力和压溃模式的影响,系统地研究了椭圆度和内腐蚀缺陷对海底管道压溃响应的相互作用机理。结果表明:海底管道发生压溃时,有多种压溃模式,如“∞”型、“8”型和“U”型,压溃模式与椭圆度和初始缺陷的尺寸密切相关;当椭圆度较小时,压溃模式主要受腐蚀缺陷尺寸影响,腐蚀缺陷长度的增加会使管道发生“8”型压溃模式,腐蚀缺陷深度和宽度的增加会使管道发生“U”型压溃模式;当椭圆度较大时,压溃模式主要受椭圆度影响,此时无论腐蚀缺陷尺寸如何变化,管道压溃模式均为“∞”型或“U”型;当压溃模式为“∞”型或“U”型时,管道压溃压力随椭圆度的增大而减小;当管道压溃模式为“8”型时,管道压溃压力随椭圆度的增大而增大;在椭圆度不变的情况下,腐蚀缺陷尺寸的增大会使压溃压力减小。

发泡陶瓷的压溃特性实验研究

通过轴向准静态无约束压溃实验,揭示了发泡陶瓷受压溃变的破坏形态和压应力-应变特点。实验观测发现,发泡陶瓷在屈服后的朔性段出现朔性强化段。对此段出现的原因,认为是由于溃变粉化碎片积累在压溃界面的孔隙中造成实际接触面积增加所导致,并通过加卸载实验证实。为进一步证实在压溃界面上的这种效应,进行发泡陶瓷加盖实验,发现加盖后屈服应力会急剧增加。此外,提出了符合发泡陶瓷实验观测结果的六段压溃本构特征。

仿平行叶脉次级肋板增强多胞管轴向压溃响应

受树叶平行叶脉启发,在多胞管(multicell tube,MT)外侧柱壳的内表面引入次级肋板构建新型仿生多胞管(bionic multicell tube,BMT),通过诱导改善薄壁结构变形模式提高能量吸收特性。通过3D打印技术制备试样开展准静态压缩试验,结合数值模拟研究了管壁厚度、冲击速度、次级肋板形态等因素对结构变形和能量吸收的影响,结果表明:1)采用倾斜次级肋板增强的BMT结构的平均压溃力和比吸能相比于MT提高约31%~59%和20%~35.2%;次级肋板的引入可诱导薄壁结构在±45°方向交错产生长度较长的塑性铰,薄壁结构弯曲变形能的提升是结构吸能特性增强的主要因素。2)BMT的次级肋板宽度小于1 mm时无法对外侧圆柱壳进行变形诱导,在10~70 m/s加载速度范围内BMT能量吸收特性随着冲击速度增大而增大。3)次级肋板的引入对MT中主级肋板和内侧圆管的能量吸收影响较小,但能够显著提高外侧圆管的吸能水平并降低其变形模式对加载速率的依赖性。

压弯联合荷载下漂浮软管的极限压溃特性

作为海上输油系统重要组成部分的漂浮软管和水下软管是浮筒和浮式生产储油船(floating production storage and offloading,FPSO)以及浮筒和水下管汇之间的油气输送通道,漂浮软管等在风浪流等极端荷载作用下可能发生极限压溃损毁。以某型漂浮软管为研究对象,利用Abaqus有限元软件,结合rebar单元和Emended嵌入技术建立软管有限元数值模型,研究软管在内压和弯矩作用下的折弯压溃特性,并通过软管弯曲试验验证了该数值分析方法的正确性。计算结果表明:螺旋钢筋失稳是折弯压溃的主要原因,螺旋钢筋外侧的外帘线层在压溃区折弯处帘线拉力过大导致帘线破断。软管的内压荷载及软管的螺距与帘线的缠绕角度对极限压溃都有重要影响。该研究可为输油软管结构抗压溃设计和损伤诊断提供技术支持。

防爬缓冲装置中薄壁管的准静态压溃研究

本文针对防爬缓冲装置中的薄壁管进行了准静态压溃试验和仿真分析,相比金属薄壁管,复合材料薄壁管可减重40%,比吸能提高17%。并对复合材料薄壁管组件应用在防爬缓冲装置中,进行了初步设计和仿真,对整体结构可以有效降低质量,提高吸能效率,更好的保护乘客的生命安全。

梯度屈曲诱导蜂窝结构的面外压溃性能研究

在传统蜂窝结构中引入几何诱导构型呈梯度变化的模式,得到一种新型梯度屈曲诱导蜂窝结构。利用数值模拟方法,研究梯度屈曲诱导蜂窝结构的准静态面外压溃性能。结果表明,屈曲诱导蜂窝结构的变形模式受诱导参数的梯度变化控制,通过诱导层段稳定性参数和形状参数的梯度设置,可以调控发生局部屈曲的位置和次序。梯度诱导构型的设计能够有效降低蜂窝结构的初始峰值载荷。随着稳定性参数梯度变化指数和形状参数梯度变化指数的增大,单位质量能量吸收和平均压溃载荷逐渐减小,蜂窝结构的压溃耗能过程变得更平稳。

松软煤层筛管孔眼排列方式对压溃强度的影响分析

为研究筛管孔眼排列方式对压溃强度的影响,选取不同孔径、不同孔间距的筛管参数,建立有限元模型,分别计算出筛管的压溃强度。研究结果表明:当孔径较小且孔间距较大时,交错排列筛管压溃强度较高,但随着孔径的增大,其压溃强度下降幅度较大;当孔径较小时,平行排列和螺旋排列筛管压溃强度非常接近,但随着孔径的增大,螺旋排列筛管性能明显好于其余两种。

不同径厚比的海底管道压溃屈曲研究

为了探索不同径厚比海底管道的压溃屈曲特性,本文分别采用挪威船级社(Det Norske Veritas,DNV)规范、有限元模拟和深海压力舱模型试验,研究不同径厚比海底管道承载外部水压的能力,并就DNV规范压溃屈曲计算公式对不同径厚比管道的适用性进行了讨论,优化了小径厚比海底管道压溃屈曲的设计方法。研究表明:小径厚比管道的压溃屈曲临界压力对管道径厚比的变化更敏感;DNV规范计算小径厚比管道的压溃屈曲临界压力偏小,在进行深海管道的压溃屈曲设计时,建议采用模型试验结合有限元模拟的方法,计算管道实际可提供的压溃屈曲承载力。

复合材料/铝复合管轴向准静态及冲击压溃的吸能特性

用数值模拟方法,研究了方形和圆形截面的复合材料/铝复合管在轴向准静态及冲击压溃下的吸能特性,计算得到压溃力-位移曲线。通过将一组方形截面复合管在准静态压溃条件下的计算结果与文献的实验数据进行对比,以验证有限元模型和参数设置的正确性。在铝管的管厚、管长以及截面外周长相同,缠绕不同厚度的复合材料情况下,对比分析了方形和圆形截面复合管在准静态及冲击压溃条件下的轴向压溃吸能特性。结果表明,复合管的截面构型对其吸能效果影响很大,在轴向准静态压溃条件下,圆形截面复合管吸能能力要强于方形截面复合管;冲击压溃吸能量不但与结构自身吸能力有关,还受到外界冲击大小的影响。在设计复合材料层厚度时,需要控制复合管的刚度,避免回弹造成吸能量的降低。

复合材料薄壁管轴向压溃吸能特性数值分析

采用数值模拟方法,对具有不同截面的几何等效复合材料管在轴向压溃载荷下的破坏吸能特性进行了分析。通过将复合材料圆管的准静态压溃计算结果与试验数据对比,验证了建模方法的准确性。在相同工况下对比分析了典型截面复合材料管的准静态和冲击压溃吸能特性。结果表明,复合材料管的截面形状会影响其破坏失效模式,加载条件对管的破坏吸能特性具有一定影响。正六边形截面管具有最好的综合吸能性能。

车钩缓冲装置压溃管阻抗力波动问题研究

为减小车钩缓冲装置压溃管静压力学性能曲线波动,文章通过对可能影响性能曲线异常波动的压溃体材料性能、配合面粗糙度、工艺过程的分析,发现压溃体内壁马氏体淬硬层残留是造成性能曲线波动的主要原因。优化压溃体加工方法后,性能曲线波动明显减小,有效提升了压溃管性能稳定性。

轨道车辆分级压溃式结构吸能装置设计研究

轨道车辆的被动安全技术作为保障列车安全运行的最终屏障越来越受到人们的重视。该文针对车辆吸能装置结构复杂、生产成本高等问题,提出一种两级压溃式结构吸能单元梁设计方案。该方案通过有限元分析与碰撞试验相结合的方式开展不同吸能单元梁壁厚对吸能性能的影响研究,并基于仿真计算结果对吸能部件进行动态冲击试验。结果表明,该吸能装置平均吸能量十分接近,能有效实现充分吸能过程中的可控有序的塑性变形,且结构屈服后平均力值未超过车体静态纵向承载值。该方案在满足车辆设计要求的同时降低结构复杂程度,在产品降本增效方面具有明显的应用优势。

棱边强化薄壁方管轴向压溃吸能特性

采用Hypermesh 9.0和Lsdyna 971数值仿真分析了棱边强化对薄壁方管轴向压溃过程能量吸收机理的影响。基于单个方管折叠单元能量平衡方程,采用分项能量修正法和影响因子归一化建立了棱边强化薄壁方管轴向压溃能量平衡方程。理论推导出棱边强化方管平均压溃力预测公式和吸能增幅表达式,其中,平均压溃力的仿真结果与预测公式计算结果吻合较好。Q235方管压溃试验结果表明,棱边强化方管平均压溃力公式也可用于预测原始方管,且效果更好。吸能对比表明:棱边强化后,棱边与平板的塑性变形在轴向压溃过程中存在强耦合关系,两部分的吸能均有提升。对于截面为56.36mm×56.36mm、厚度为1.0mm的薄壁方管,棱边约强化4倍,4条棱边仅占薄壁方管截面9.09%,理论上可使方管总体吸能量提升近30%,可见棱边强化能显著提升薄壁方管轴向压溃吸能水平。

帽型截面薄壁管梁的平均静态压溃力

文章以Weigang Chen简化的折叠理论为基础,构造了结构简单的帽型截面薄壁管梁的压溃模型。通过解析计算,得出渐进压溃时,该类管梁平均静态压溃力的表达式;对比了相同结构的帽型薄壁梁在渐进压溃时,其平均静态压溃力的预测值与试验值。与实验和有限元分析结果对比表明,该文预测值优于先前的预测结果。

单帽型薄壁梁弯曲和轴向压溃吸能的理论预测方法研究

以Kecman薄壁梁弯曲压溃理论和Wierzbicki超折叠单元理论为基础,建立一种改进的单帽型薄壁梁准静态弯曲压溃和轴向压溃理论模型,并推导相应的吸能公式。该模型适用于求解同材同厚、同材异厚、异材同厚和异材异厚的单帽型薄壁梁弯曲压溃和轴向压溃吸能。试验和数值仿真结果表明:与传统理论和模型相比,改进理论模型对于预测单帽型薄壁梁的弯曲压溃和轴向压溃吸能具有较高的精度,在应用范围方面更具有通用性。

海底管道动态压溃时激发压力脉冲特性分析

为研究海底管道压溃及压溃传播过程中压力脉冲场的分布特性,本文建立了深水海底管道动态压溃传播的有限元数值计算模型,采用声固耦合技术模拟了海底管道与周围流体介质的耦合作用,并利用相关实验数据对该有限元模型进行验证。本文通过提取周围流场中压力脉冲的时空分布规律,分析了海底管道压溃传播过程中压溃变形与压力脉冲的耦合特性;讨论了海底管道压溃变形形态传播发生突然翻转时管道周围压力脉冲的分布规律。研究结果表明:该有限元模型可准确预测海底管道的压溃和压溃传播压力以及管道周围压力脉冲的时空分布特性。管道压溃瞬间,管道近壁面周围将产生数倍甚至十倍于管道压溃压力的压力脉冲。海底管道发生翻转型压溃传播时,管道近壁面压力脉冲分布也发生相应的变化。

膨胀式压溃装置工艺优化及可靠性提升

阐述了膨胀式压溃装置的结构特点和工作原理,分析了影响膨胀式压溃管性能的主要工艺影响因素,完成了膨胀式压溃管的工艺优化,形成了系列化、标准化的膨胀式压溃管生产工艺。经压溃性能对比试验,文中所述压溃装置的性能与国外成熟产品相当,满足设计和使用要求,并形成了批量化的应用。

深水海底管道全尺寸压溃试验及数值模拟

针对深水海底管道压溃问题,研制了深水海底管道屈曲试验装置,该装置可承受水压43,MPa,全长11.5m,直径1.6,m.使用该装置设计并开展了全尺寸管道压溃试验.利用ANSYS软件建立三维圆柱壳模型进行管道压溃数值模拟分析,并将试验结果与数值模拟结果进行对比,来研究径厚比、初始凹坑缺陷、初始椭圆度缺陷等因素对管道压溃的影响.结果表明,管道压溃载荷随着径厚比的增大而显著降低,单个点状凹坑缺陷对于管道压溃载荷影响较小,初始椭圆度缺陷则明显降低了管道的压溃载荷.