圆环耐撞性研究书

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1、圆环耐撞性研究书圆环耐撞性研究的意义近年来，各种车辆、船舶、飞行器的数量越来越多，速度越来越快，碰撞事故也随之日益增加，每年都要造成严重的生命和财产损失。解决这个问题的主要途径，是研究和提高各种车辆、船舶、飞行器结构的耐撞性(structuralcrashworthiness)[1]。术语“耐撞性”指的是当车辆等卷入或经历碰撞时响应性质的优劣。众多学者已对金属吸能结构，如圆管的卷曲、方管的卷曲和渐进屈曲、截壳体、圆管和圆环以及在其中填充泡沫塑料等进行了大量的研究。工程上特别关心如何评估结构受冲击后的整体性能、如何提出合理的设计方案及如何制定有效的防护措

2、施等问题。目前，工程实际中比较切实有效的手段就是设计并采用性能优异的能量吸收装置(energyabsorbingdevices)，或者叫能量耗散装置(energydissipatingdevices)[2]，这项工作现己成为结构安全防护中重点课题。同时，在某些特定的情况(例如飞行器的紧急着陆，核电站和高速公路旁重要设施的防护等等)下，已有结构难以满足吸收全部碰撞能的要求，需要设计一些特殊的结构元件作为能量吸收装置，这种装置必须具有良好的塑性变形性质，使得撞击动能通过结构的大塑性变形和破坏过程被耗散掉，从而大大降低冲击力的幅值，减缓冲击效应，使之保持在结

3、构所能耐受的指标水平上。受横向载荷的圆环（图1.1）就是以塑性弯曲为其主要能量耗散机制的。图1.1在一对刚性平板间受压的圆环53（a）初始构形；（b）变形后的形状在工作载荷下，传统结构（例如，用于图谋工程和机器中的结构）只发生很小的弹性变形。这些结构通常要求在规定的载荷下具有一定的强度和刚度，所以材料的选择和结构的设计主要基于结构必须承受的弹性应力或者应变。失效多是由于疲劳、腐蚀，或者是由于长时间使用引起的材料老化。能量吸收结构设计和分析与传统结构设计和分析大不相同。能量吸收结构必须承受强碰撞载荷，所以它们的变形和失效涉及到几何大变形应变强化效应应变率

4、效应以及不同变形模式（如弯曲和拉伸）之间的各种交互作用。因为这些原因，大多数能量吸收器用韧性金属制成，低碳钢和铝合金是使用最广泛的。目前在金属吸能装置领域的研究可分为两类：一类是金属吸能元件（包括与其它吸能材料组合而成的吸能装置）；另一类是利用金属塑性成形和金属切削原理的能量吸收装置。对于能量吸收装置的具体要求必须根据使用场合的不同以及具体使用工况的不同而定，不存在处处适用或绝对最优的能量吸收装置。由于碰撞工况的不同和安装部位的不同，对能量吸收装置的具休要求各不相同，但一般说来，以下几点要求是共同的：(1)碰撞动能应尽可能不可逆地转换成变形能，也就是说

5、，应该以塑性变形而不是弹性变形来贮存这种能量；(2)在碰撞条件下，能量吸收装置的变形模式应当稳定，具有可重复性和可靠性,且传递的反力波动小，保持常幅值；(3)在吸收能量的过程中，应控制碰撞力和减速度，在大变形下应具有接近定常数的承载能力，以保护人员和重要结构。生物力学的研究指出人的颅脑系统的忍受度可用下式表达：其中GSI称为Godd指标，是加速度(或减速度)，以重力加速度g为单位，t是时间，单位是毫秒，T是经历加速度的总时间，1000是正常成人颅脑损伤的门槛值。从上式易证明，在给定初速和碰撞距离的条件下，使GSI取极小的减速过程，是为常数的匀减速过程。

6、因此，良好的能量吸收装置，在大变形下应具有接近定常数的承载能力；(4)装在飞行器和汽车上的能量吸收装置，应该自重较轻，具有良好的“53比耗能”，即单位自重所能吸收的能量值要高；(5)为了吸收更多的总动能，它应能提供足够长的变形行程，而且在变形后不占据过大的空间或造成次生破坏；(6)由于能量吸收装置通常都是一次使用结构，所以应该成本低廉，便于制造和更换[3][18]。1.2圆环耐撞性的研究现状由于金属圆环结构具有变形稳定、承载力稳定、变形行程长、初始冲击力小、取材方便、易于更换以及产生的比能耗高等优势，受到了工程界的高度重视，取得了良好的经济效益和社会效

7、益[4]。例如，在美国很多大型结构和高速公路的防护装置都安装此类抗冲击吸能装置，取得了令人满意的结果。迄今为止，结构塑性动力学研究领域对梁、板、壳、拱等结构[5]以及多种管状、环状和其它方式的金属吸能结构在冲击载荷作用下的动力响应特性研究已取得了很大的进展。但是至今仍有一些极具研究价值和应用潜力的碰撞缓冲吸能金属结构尚未得到足够重视。这类吸能结构的动力塑性压溃变形模式与相应的准静态压溃变形模式有很大的差别。其原因使由于变形过程中往往掺杂了应变率效应和惯性效应的影响。圆环结构就是这类吸能结构之一。尽管圆管和圆环列作为新型吸能器已经得到一定的工程应用,但是

8、以往的研究大多关注圆环或圆环列系统的变形行为，而对工程实际中更为关心的吸能特性(尤其是吸能效率