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薄壁管状结构由于较高的比强度和比刚度被广泛的应用于抗冲击吸能的设计之中。关于薄壁管的准静态、动态力学行为的工作中,涉及的薄壁结构包括圆管、方管、六边形管及八边形管等多种形式。本文以实验研究为基础,结合数值模拟,提出一种具有弧形预折痕的折纸型薄壁结构,详细分析了其压缩变形和能量吸收情况。主要工作如下:
(1)在本文研究的范围内,通过高精度3D打印技术制造周期性单胞结构,并利用准静态压缩试验机进行准静态压缩实验。利用ABAQUS有限元程序对单胞模型进行准静态压缩模拟,将有限元模拟结果与试验所得结果进行对比来验证模型的有效性。
(2)对折纸型薄壁管件面外准静态压缩和冲击行为进行有限元计算,探讨其变形模式与能量吸收特性,分析预折角和薄壁单胞管件阵列数量对其压溃模式及能量吸收的影响。薄壁管件的变形过程可分为四个阶段,分别是:初始压溃阶段、预折角塑性旋转阶段、腹板塑性屈曲阶段和完全压溃密实化阶段。将折纸型薄壁管件与高度、质量相等的方管进行比较。在准静态压缩作用下,折痕倾角为70°的单胞折纸管在预折角塑性旋转阶段具有较高的承载力,比吸能优于方管。对于多胞管件阵列模型,在准静态和冲击速度为10m/s的冲击载荷下,方管的比吸能均优于折纸管。折纸管阵列模型在压缩过程中的初始压溃载荷峰值远小于方管,在考虑压缩力效率和比总体效率时,所有折纸管阵列模型均优于方管。当冲击速度为20m/s时,折痕倾角为60°、70°的折纸管表现出逐渐压溃模式,初始压溃峰值载荷较大,预折角塑性旋转阶段出现逐层失效模式,承载能力降低。其压缩力效率和比总体效率低于方管。折痕倾角为50°的折纸管受冲击速度的影响较小,压缩力效率和比总体效率优于方管。
(3)对折纸型薄壁管件面内x和y方向准静态压缩和冲击行为进行有限元计算。对于面内x方向,薄壁管件的变形过程可分为三个阶段,分别是:竖直板初始压溃阶段,预折部分接触阶段,完全密实化阶段。在准静态压缩和冲击速度为10m/s的冲击载荷下,单胞折纸管在预折部分接触阶段之后出现二次承载能力,折纸管阵列模型在压缩过程中胞元之间产生横向约束,比吸能、压缩力效率和比总体效率均优于方管。当冲击速度为20m/s时,折纸管产生逐渐屈曲模式,预折部分在压缩过程中承载能力降低,方管阵列模型的比吸能均优于折纸管。折纸管在竖直板初始压溃阶段的初始载荷峰值远小于方管,其压缩力效率和比总体效率均优于方管。对于面内y方向,薄壁管件的变形过程可分为:初始压溃阶段,预折角塑性旋转阶段,完全密实化阶段。在准静态压缩作用下,单胞折纸管及其阵列模型的比吸能均优于方管。当冲击速度为10m/s时,折痕倾角为50°的折纸管在预折角塑性旋转阶段发生整体塑性变形,承载能力较大,比吸能优于方管。折痕倾角为60°、70°的折纸管在预折角塑性旋转阶段发生局部变形,承载能力降低,比吸能低于方管。当冲击速度为20m/s时,折纸管在预折角塑性旋转阶段产生逐渐屈曲模式,承载能力降低,比吸能均低于方管。在准静态和动态冲击载荷下,折纸管的初始压溃载荷峰值均远小于方管,其压缩力效率和比总体效率均优于方管。
(1)在本文研究的范围内,通过高精度3D打印技术制造周期性单胞结构,并利用准静态压缩试验机进行准静态压缩实验。利用ABAQUS有限元程序对单胞模型进行准静态压缩模拟,将有限元模拟结果与试验所得结果进行对比来验证模型的有效性。
(2)对折纸型薄壁管件面外准静态压缩和冲击行为进行有限元计算,探讨其变形模式与能量吸收特性,分析预折角和薄壁单胞管件阵列数量对其压溃模式及能量吸收的影响。薄壁管件的变形过程可分为四个阶段,分别是:初始压溃阶段、预折角塑性旋转阶段、腹板塑性屈曲阶段和完全压溃密实化阶段。将折纸型薄壁管件与高度、质量相等的方管进行比较。在准静态压缩作用下,折痕倾角为70°的单胞折纸管在预折角塑性旋转阶段具有较高的承载力,比吸能优于方管。对于多胞管件阵列模型,在准静态和冲击速度为10m/s的冲击载荷下,方管的比吸能均优于折纸管。折纸管阵列模型在压缩过程中的初始压溃载荷峰值远小于方管,在考虑压缩力效率和比总体效率时,所有折纸管阵列模型均优于方管。当冲击速度为20m/s时,折痕倾角为60°、70°的折纸管表现出逐渐压溃模式,初始压溃峰值载荷较大,预折角塑性旋转阶段出现逐层失效模式,承载能力降低。其压缩力效率和比总体效率低于方管。折痕倾角为50°的折纸管受冲击速度的影响较小,压缩力效率和比总体效率优于方管。
(3)对折纸型薄壁管件面内x和y方向准静态压缩和冲击行为进行有限元计算。对于面内x方向,薄壁管件的变形过程可分为三个阶段,分别是:竖直板初始压溃阶段,预折部分接触阶段,完全密实化阶段。在准静态压缩和冲击速度为10m/s的冲击载荷下,单胞折纸管在预折部分接触阶段之后出现二次承载能力,折纸管阵列模型在压缩过程中胞元之间产生横向约束,比吸能、压缩力效率和比总体效率均优于方管。当冲击速度为20m/s时,折纸管产生逐渐屈曲模式,预折部分在压缩过程中承载能力降低,方管阵列模型的比吸能均优于折纸管。折纸管在竖直板初始压溃阶段的初始载荷峰值远小于方管,其压缩力效率和比总体效率均优于方管。对于面内y方向,薄壁管件的变形过程可分为:初始压溃阶段,预折角塑性旋转阶段,完全密实化阶段。在准静态压缩作用下,单胞折纸管及其阵列模型的比吸能均优于方管。当冲击速度为10m/s时,折痕倾角为50°的折纸管在预折角塑性旋转阶段发生整体塑性变形,承载能力较大,比吸能优于方管。折痕倾角为60°、70°的折纸管在预折角塑性旋转阶段发生局部变形,承载能力降低,比吸能低于方管。当冲击速度为20m/s时,折纸管在预折角塑性旋转阶段产生逐渐屈曲模式,承载能力降低,比吸能均低于方管。在准静态和动态冲击载荷下,折纸管的初始压溃载荷峰值均远小于方管,其压缩力效率和比总体效率均优于方管。