A STUDY ON THE EFFECT OF RADIAL INERTIA ON THE ELASTO-PLASTIC COMBINED STRESS WAVE PROPAGATION IN THIN-WALLED TUBES

An in-depth analysis of propagation characteristics ofelasto-plastic combined stress waves in circular thin-walled tubeshas been made. In obtaining the simple-wave solution, however, mostresearches have ignored the influence of the circumferential stressrelated to the radial inertial ef- fect in the tubes. In this paperthe incremental elasto-plastic constitutive relations which areconve- nient for dynamic numerical analysis are adopted, and thefinite-difference method is used to study the evolution adpropagation of elasto-plastic combined stress waves in a thin-walledtube with the radial inertial effect of the tube considered. Thecalculation results are compared with those obtained when the radialinertial effect is not considered. The calculation results show thatthe radial inertial effect of a tube has a fairly great influence onthe propagation of elasto-plastic combined stress waves.

基于回归分析法的矩形槽圆管吸能特性研究

为了研究矩形槽圆管吸能特性规律,提出了一种基于回归分析法的结构参数与吸能特性关系的拟合方法。针对轴向冲击下的圆管动态响应,首先,建立了6005A-T6材料的Cowper-Symonds本构模型,并验证了仿真模型的准确性;其次,设计了正交试验,建立了吸能特性与结构参数之间的计算模型;然后,利用多元线性与非线性回归分析方法对计算模型参数求解,并对比了两种拟合结果,得到了峰值力和吸能量的经验公式;接着,对比经验公式与有限元数值计算值表明,经验公式在研究范围内具有较高准确性,误差在8%以内;最后,引入吸能性能指标并使用遗传算法对圆管进行了结构优化,优化结果表明,在研究范围内当直径和槽端距最小、壁厚和槽宽最大、槽深最浅时,矩形槽圆管的吸能性能最优。

机车前端薄壁吸能管仿真模型模糊参数的支持向量回归反求

为了获得影响耐撞性结构有限元计算精度的准确模型参数,提高冲击仿真的准确性,提出一种基于支持向量回归(support vector regression,SVR)模型进行参数优化反求的方法。以一种机车前端防爬结构中的预压薄壁吸能圆管为研究对象建立有限元模型,进行台车冲击试验验证仿真模型准确性。通过拉丁超立方试验设计驱动有限元模型进行少量计算获得数据集,有限元模型中的模糊参数为输入变量,计算与试验载荷的差异为目标响应,通过SVR方法构建映射关系,并采用增强精英保留遗传算法(strengthen elitist genetic algorithm,SEGA)对超参数进行优化,确定SVR模型最佳配置;通过该最优SVR模型再次使用SEGA优化反求,获得最佳模糊参数组合。使用这组参数组合设置有限元模型,其仿真结果相较初始计算耐撞性指标和载荷曲线匹配程度都得到了提高。研究结果为有限元模型中模糊参数的准确设定、碰撞仿真的精度提升提供了一种新的思路。

矿用防冲击液压支架的吸能构件研究

为解决刚性支护防冲击性能差的问题,业内提出了吸能防冲击液压支架。对金属薄壁吸能机构进行了研究,分析了金属薄壁吸能构件的设计要点与存在问题,并对金属薄壁圆管吸能构件的结构进行了改进设计和参数优化。

纤维铺层角度对复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性影响研究

研究T700/3234复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性受纤维铺层角度变化的影响规律。开展复合材料力学性能试验和薄壁圆管轴向准静态压溃试验。通过对比圆管轴向压溃峰值载荷及比吸能等指标的试验结果,验证建立的复合材料圆管有限元模型和分析方法。基于验证的有限元分析方法,探讨了复合材料纤维铺层角度的变化对薄壁圆管轴向压溃吸能特性的影响规律。结果表明,在准静态轴向压缩载荷下,随着纤维铺层角度的增大,比吸能先增大后减小;纤维角度为±45°时,初始峰值载荷最低,载荷效率最高,圆管易于进入渐进破坏吸能阶段。研究结果可为复合材料纤维铺层角度设计及复合材料薄壁结构有限元建模提供参考。

圆管相贯加强环节点承载力与变形性能分析

根据薄壁钢管的相贯节点的特性,提出了在钢管内部设置加强环节点构造形式,建立了有限元模型;运用ANSYS非线性有限元分析法,分别计算了在主支管相交区内不同方式设置不同数量和大小的加强环节点的各项指标,分析了加强环节点的受力特征与破坏模式,探讨了不同类型的加强环节点的承载力和变形性能,计算结果表明,在不同荷载组合下对节点进行局部加强环的构造型式对于提高节点承载力和减小局部变形是非常有效的措施.最后提出了相关的设计建议取值,避免了部分单纯由构造确定加强环节点的盲目性.

不同材料薄壁圆管准静态轴压变形特性

材料选取是缓冲吸能结构耐撞性及轻量化设计的重要环节,该文采用LS-DYAN软件对低碳钢、铝合金和不锈钢等不同材料薄壁圆管的变形模式、比载荷、平均比载荷及比吸能等轴压变形特性进行数值模拟分析。研究结果显示,几组圆管试样均发生了轴向渐进叠缩变形,分别形成了周向折叠凸角数目不同的非轴对称和轴对称变形模式,其中铝合金圆管发生了较为特殊的横截面呈"椭圆形"的非轴对称变形模式,对比研究发现,铝合金的比吸能远高于不锈钢和低碳钢,更适用于缓冲吸能结构的轻量化设计。

薄壁金属管在中高速冲击下的缓冲特性研究

薄壁金属管塑性变形缓冲器通过塑性变形吸收能量,是冲击动力学领域所用缓冲器之一。通过试验和数值模拟研究了薄壁金属管塑性变形缓冲器在中高速冲击下的缓冲特性。通过空气炮试验,得到了薄壁金属管在中速冲击下的变形特点及缓冲力,分析了薄壁金属管在中高速冲击下的变形机理。研究了薄壁金属管半锥角、冲击速度、冲击质量对薄壁金属管缓冲性能的影响。结果表明:随着冲击速度的提高(30m/s^500m/s),缓冲力稳定性降低,缓冲力波动范围从8.2k N提高到19.9k N,最大缓冲力从19.9k N提高到34k N;半锥角不同会影响薄壁金属管的最大缓冲力;当冲击速度大于100m/s时,薄壁金属管缓冲力稳定性不受冲击质量影响。

薄壁圆管侧向冲击动力响应的仿真分析

对两端固支薄壁圆管经受楔形锤体侧向冲击的动力响应进行了实验研究和计算机仿真 ,获得了不同冲击能量下两端固支薄壁圆管的整体变形模态和冲击点附近局部压溃模态的发展过程 ,计算机仿真结果与实验结果的一致性令人满意。实验研究和计算机仿真结果表明 ,局部变形和整体变形的耦合与径厚比 (D/h)和跨径比 (2L/D)等因素有关。当圆管的总体位移 (Wf)达到和圆管的直径同一量阶时 ,伴随圆管轴线伸长而产生的轴力不可忽略 。

含诱导缺陷薄壁圆管耐撞性优化设计

运用移动最小二乘曲面拟合技术和遗传算法优化技术,建立一套完整的结构耐撞性优化设计技术。设计了一个具有高效吸能能力的薄壁圆管结构——含诱导缺陷薄壁圆管结构,给出了含缺陷薄壁圆管结构耐撞性优化设计结果。结果显示,设计的薄壁圆管结构具有好的吸能效果,该结构设计简单,便于在结构设计中使用。

薄壁圆钢管再生混合中长柱的轴压与偏压试验研究

通过36根薄壁圆钢管再生混合中长柱的轴压与偏压试验,考察废弃混凝土混合比、钢管壁厚、荷载偏心距等因素对试件受压性能的影响。基于新、旧混凝土的组合强度,根据国内外钢管混凝土结构设计标准,对试件的受压承载力进行计算对比。试验和分析结果发现:①采用25%或40%的废弃混凝土替换新混凝土后,钢管再生混合中长柱的受压承载力分别比全现浇钢管混凝土中长柱降低5.77%～9.71%和10.65%～15.63%,但前者的初始刚度、屈服性能和延性特征与后者基本相当;②为使钢管再生混合中长柱的计算受压承载力具有与全现浇钢管混凝土中长柱相近的安全性,可对前者计算结果乘以调整系数0.95;③总体来看,设计标准DBJ 13-51-2003和ANSI/AISC 360-05对轴压试件受压承载力的预测结果相对较好,JCJ 01-89对偏压试件受压承载力的预测结果相对较好。研究表明,薄壁圆钢管柱内放置废弃混凝土块体是废弃混凝土循环利用的一条有效途径。

薄壁圆锥管轴向压缩吸能特性研究

研究薄壁圆锥管轴向压缩吸能特性有助于其合理广泛应用于抗冲击、抗振动结构中。轴向倾角是使得圆锥管轴向压缩性能有别于直管的主要因素。当轴向倾角小于临界角度时,圆锥管平均轴向压缩力随倾角增加而变大但最大初始轴力会线性减小;吸能稳定因子随倾角增加而提高,但是比吸能却相应非线性降低。圆锥管在轴向压缩时过程中存在三种典型变形模式,分别为"钻石-堆叠"模式,"钻石-嵌套"模式及"环形-嵌套"模式,通过对"环形-嵌套"模式变形过程的观测及变形机理分析,建立了相应的理论模型,基于该理论模型给出了圆锥管"环形-嵌套"模式变形时吸能特性的预测方法。

薄壁圆钢管再生混凝土混合中长柱轴压力学性能

目的研究薄壁圆钢管再生混凝土混合中长柱的受力机理和力学性能,为钢管再生混凝土中长柱轴心受压设计提供理论依据.方法以截面含钢率、再生块体取代率和长细比为试验参数,设计了12根薄壁圆钢管再生混凝土混合中长柱,并对其破坏形式和特征、荷载-跨中挠度曲线、荷载轴向位移曲线以及承载力的敏感影响因素进行深入的研究.结果试验结果表明:当块体取代率由20%增至60%时,试件的极限承载力有一定程度的下降,延性无明显变化;当含钢率由0.038增至0.079时,其后期承载力提高约30%;当长细比由25增至35时,试件的极限承载力有所下降,但下降幅度不明显.结论含钢率能够明显提高试件的极限承载力和延性,再生块体取代率、长细比对承载力和延性的影响较小.

薄壁圆钢管再生混合柱的抗震性能试验研究

为研究薄壁圆钢管再生混合柱的抗震性能,完成15根试件在定常轴力和水平往复荷载作用下的拟静力试验,考察废弃混凝土取代率、钢管壁厚、轴压比等因素对试件抗震性能的影响。基于新、旧混凝土的组合强度,根据国内外钢管混凝土结构设计标准以及基于ABAQUS的纤维梁单元数值模型,对试件的水平承载力进行计算分析,同时还将试件的水平承载力和极限位移实测值与螺旋箍筋钢筋混凝土柱的OpenSEES计算值进行对比。研究表明:①废弃混凝土取代率在0～40%之间变化对试件的初始抗侧刚度、钢管局部屈曲、极限位移、负刚度段行为、刚度退化效应、等效黏滞阻尼系数、滞回曲线形状都影响有限,但再生混合柱的水平承载力总体上比全现浇柱有所降低;②在钢管壁厚仅1.78mm(径厚比168.5)的情况下,轴压比0.4的再生混合柱的极限位移角可达4%,展示了良好的变形能力;③为使薄壁圆钢管再生混合柱的计算水平承载力具有与全现浇钢管混凝土柱相近的安全性,可对前者计算结果乘以调整系数0.95;④横截面积和总用钢量相同时,薄壁圆钢管再生混合柱的水平承载力大多优于螺旋箍筋柱。研究发现,薄壁圆钢管再生混合柱应用于地震区中、低轴压比情况是可行的。

一种新型吸能装置的轴向耐撞击性能分析

基于传统吸能元件薄壁圆管的结构形态及其功能型要求,给出了一种端部带翻转模的新型吸能装置。在薄壁圆管直径和长度给定的前提下,通过改变翻转模诱导半径和管壁厚度,诱发了圆管在轴向冲击荷载下的四种变形模式,并对其中翻转变形模式进行了深入分析,考察了应变率、惯性效应和几何参数对其耐撞击性能的影响规律。有限元计算结果表明,发生翻转变形模式的薄壁圆管荷载-位移历程较平稳,总效率较高,具有较优异的轴向耐撞击性能;材料的应变率效应、翻转模半径与管壁厚度之比(r/t)、管壁厚度与圆管直径之比(t/D)对撞击荷载有较大的影响,而圆管自身的惯性效应对撞击荷载的影响较小。数值模拟结果为耐撞击结构部件的设计提供了参考依据。

泡沫铝填充薄壁金属管结构冲击吸能特性研究

目的为了研究静动态加载下泡沫铝填充薄壁金属管结构吸能特性随泡沫铝密度的变化规律。方法利用材料试验机对3种不同密度的泡沫铝填充薄壁金属管结构进行准静态压缩,利用Taylor–Hopkinson实验装置对相同结构进行动态压缩实验,基于电测和光测法获得结构的静动态压缩载荷位移曲线,对载荷位移曲线进行积分得到结构的静动态吸能特性。结果准静态压缩下,随着泡沫铝密度的增加,泡沫铝填充薄壁管结构能量吸收能力近似成指数增加。动态压缩下,结构能量吸收能力随泡沫铝密度增加先保持不变后增加。结论准静态压缩下,在薄壁金属管中添加泡沫铝能明显增加泡沫铝填充薄壁金属管结构能量吸收能力,但在动态压缩下,低密度泡沫铝的添加无益于增加结构的能量吸收能力,为增加薄壁金属管的吸能能力需要求泡沫铝的密度超过一定值。

DD6单晶试样结构对热拉伸性能的影响

采用选晶法制备不同结构的DD6单晶拉伸试样,通过对不同温度下[001]晶体取向的薄壁圆管与圆柱试棒拉伸试验,研究了DD6单晶试样结构对其热拉伸性能的影响。结果表明:在不同变形条件下,[001]取向孔内径Φ6.0mm的薄壁圆管极限强度比孔内径Φ7.0 mm高6.7%;而[001]取向薄壁圆管的拉伸性能比同条件圆柱试棒的拉伸性能高9.8%。试样结构对其性能的影响不明显,而试验温度与拉伸速率对其力学性能的影响较为显著。

径向惯性对薄壁圆管中弹塑性复合应力波传播的影响

弹塑性压扭复合应力波在薄壁管中的传播特性 ,已得到较为深入的研究 ,但为得到简单波解 ,大部分研究忽略了薄壁圆管中与径向惯性有关的周向应力σθ 的影响 .该文采用便于动态数值方法应用的增量型弹塑性本构关系 ,应用有限差分数值方法 ,计算了考虑径向惯性效应的弹塑性薄壁管中复合应力波的演化规律和传播特性 ,并与无径向惯性效应的计算结果作了对比 .

薄壁圆管轴向压溃特性仿真分析与理论预测

通过数值模拟研究了一种轴向变厚度新型薄壁圆管在准静态轴向压溃工况下的耐撞特性,并建立了其在此种工况下的平均压溃力计算公式。对所建立的有限元模型进行了验证,通过改变实验所用材料的屈服强度建立了6061铝合金在不同热处理工艺下的两种材料模型,并以此建立了轴向变厚度变材料双变属性薄壁圆管的有限元分析模型,根据仿真结果发现,双变属性圆管在不提高管体质量的情况下比能量吸收提高了4%。基于已提出的简单薄壁圆管理论压溃模型推导出了双变属性圆管的理论平均压溃力预测公式,结果表明,仿真分析结果与理论预测结果的相对误差在5%以内。

薄壁结构点阵片吸能元件吸能特性的研究

在薄壁结构轴向压缩载荷理论的基础上建立薄壁结构点阵片轴向压缩载荷理论预测模型,利用Hypermesh和LS-dyna有限元软件对薄壁结构点阵片吸能元件轴向压缩特性进行仿真分析,以表征其吸能特性。结果表明:当基体材料确定时,薄壁结构点阵片轴向压溃强度与凸起壁厚、凸起外形尺寸、单位面积凸起数量等相关;圆管与方管薄壁结构点阵片吸能元件轴向压缩过程均表现出弹性变形、叠缩塑性变形、压实3个阶段;相同点阵片面积下,相同尺寸规格的方管薄壁结构点阵片的轴向压溃强度大于圆管薄壁结构点阵片,但圆管薄壁结构点阵片吸能元件轴向压缩过程的应力-应变曲线波动稍小于圆管薄壁结构点阵片吸能元件,即方管薄壁结构点阵片的吸能能力大于圆管薄壁结构点阵片,而圆管薄壁结构点阵片吸能元件的吸能稳定性稍优于方管薄壁结构点阵片吸能元件。