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1、动力学毕业论文动力学毕业论文1 引言1.1 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(structural crashworthiness) 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施等问题。目前
2、，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(energy absorbing devices)，或者叫能量耗散装置(energy dissipating devices) 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，使之保持在结构所能耐受的指标水平上。受横向载荷的圆环（图1.1
3、）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 （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
4、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，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
5、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。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“比耗能”，即单位自重所能吸收的能量值要
6、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
7、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) 和机理方面的研究却很不充分，特别是有针对性的对圆环列系统的吸能效率方面的实验研究方面的工作几乎没有。Hwang最早给出了对径受压的理想弹塑薄圆环的小变形分析。自70年
8、代以来，许多学者对完整或含缺口圆环在不同支撑下的塑性动力响应特性进行了实验研究。通过这些研究，获得了对圆环结构吸能特性的一些认识。Calladine和England对低碳钢圆环等进行了冲击实验。他们的实验表明，圆环使一种对冲击速度不敏感的能量吸收元件，也就是说，在相同的冲击动能条件下，改变落锤的质量和速度，圆环的最终变形相差不大。DeRuntz和Hodge6指出，理想刚塑性薄圆环在两刚性平板对压下的大变形为一个四铰机构。Reid等7人详尽地研究了强化效应对圆环承载能力的影响。他们指出，材料线性强化的结果不但使塑性极限弯矩提高，而且使塑性铰扩展为塑性区1。Reid等人对强化受压圆环的处理同余同希
9、1964年对强化受拉圆环的处理13是完全一致的。Reid等最先对冲击载荷下金属圆环列(若干个圆环排成一列)的动态力学行为进行了实验研究，得到了大量的不同连接条件下的圆环列系统的实验数据，并在此基础上提出了结构波理论。Reid和Reddy首先报道了圆环串接系统端部受集中质量块撞击的实验结果7。发现圆环的变形过程乃至完全压扁是一个接一个在进行 ,在宏观上表现出间断冲击波的特性, 为此Reid，Bell和Barr建立了一维冲击波理论模型,这个模型能够反映出圆环串接系统的的瞬态塑性变形机制,并与实验进行了比较15。Reid等人也研究过圆环在V形槽内受压，以及在有侧向约束的情况下受压的问题。对于此种情形
10、，圆环的大变形机构会在两个受载点中间形成塑性铰，相应的分析也很复杂。Choi等14讨论了材料的应变率效应对圆环列系统的影响，指出:忽略材料应变率效应可能导致对结构应力水平的估计值过低。有关圆环及圆管受准静态横向载荷作用的塑性变形分析方面的文献可参考6-9,而动载作用下圆环及圆管的响应特性研究可参考10-12,其中包括了理论研究和实验研究。近年来，国内关于这方而的研究也取得了大量的研究成果，余同希1研究了利用金属塑性变形原理的碰撞能量吸收装置，从比耗能、相对行程和承载力的稳定性等指标对各类能量吸收元件进行比较。余同希3 15还对圆环、圆管、方管等结构的耐撞性进行了深入研究。宋宏伟17对圆管等能量
11、吸收结构撞击吸能特性做了研究。姜锡权对多排圆环系统进行了大量的实验研究，其结果表明：在准静态条件下，多排圆环系统的力学行为基本上与单排圆环列系统的变形行为相类似；多排圆环系统的变形过程较单排圆环系统的变化更为平缓。曾首义等的实验结果也表明：圆环层数对变形影响很大，多层圆环系统的总变形较大，但其反力波形平缓、没有继生峰值。而顾红军等进行了相关的实验研究，对以往的模态解公式进行了修正，使得多排圆环系统的理论分析结果更接近实际情况。同时，赵凯等4对圆环列系统在弹性范围内的应力波效应讲行了较为深入的研究。赵凯等4还通过对圆环列系统实验和数值研究，得出研究结果表明: (1) 圆环列系统是高效的能量吸收装
12、置；(2) 考虑安装实用的要求，23个薄壁圆环系统是比较适合工程实际应用的方案。圆环列系统能够满足结构防护的工程要求，具有广阔应用前景和实际工程意义，值得进一步推广和应用。杨嘉陵和蔡序杰的研究侧重点在圆环系统的压扁失效的传播分析方面,包括有限元数值模拟和理论模型。理论模型将金属圆环等效为一弹塑性“弹簧”,并以此作为基本单元,研究了纵向串接的一系列圆环末端受撞击的弹塑性动力响应,进而预测各圆环不同时刻的变形情况。他们在对弹塑性圆环串接系统受强动载荷作用的失效分析中，得出结论：(1) 对于串接的弹塑性圆环系统,提出了宏观等效的弹塑性质量- 弹簧系统,相应的材料与结构参数是基于单个圆环受强动载荷作用
13、弹塑性动力分析的结果。(2) 通过定义塑性屈服点和圆环的失效准则,可以近似描述塑性波的传播过程,观察到圆环依次失效的发生、发展的传播过程。(3) 通过与有限元结果和实验结果的定量比较,说明这一理论模型能够很好的反映出圆环系统的弹塑性动力特性,对于进一步研究这种系统的能量吸收特性是有意义的。1.3 本文要研究的内容本文根据课题研究需要，在前人工作的基础上针对圆环结构的动力响应问题，从理论分析和数值模拟两个方面对圆环在压缩和冲击载荷作用下的动力响应问题进行了研究，对金属圆环结构进行力学分析和研究，研究径向压缩和冲击中金属圆环结构的塑性变形行为以及能量吸收特性，推出金属圆环结构的载荷位移关系曲线。研
14、究圆环在冲击过程中的变形形态及其对能量的吸收。在经典刚塑性理论的基础上，采用动力有限元程序LS-DYNA对金属圆环结构在冲击下的动态响应进行数值分析，同时对金属圆环结构进行压缩和冲击实验。统计整理实验数据、绘制金属圆环结构的载荷位移曲线，在此基础上初步探讨金属圆环结构的耐撞性问题。2 金属圆环结构的理论分析塑性弯曲作为一种能量耗散机制，在碰撞能量吸收装置中有着广泛的应用。其中，圆环就是一种研究得最充分应用得最广泛的能量吸收元件。2.1 一对集中力作用下的受压圆环考虑一对方向相反的集中力作用下的刚塑性圆环 。它需要四个塑性铰以形成一个破损机构。利用能量法，我们可以得到其载荷位移曲线。另一方面这个
15、问题也可以通过考虑一圆弧段平衡得到解答。当圆弧段的转角为时，压缩量为： （2.1）AB现在的长度为 （2.2）作用在这段圆弧上的力和力矩等效于两个数值相等（=P/2）作用方向相反的力。平衡条件要求这两个力必须沿同一条线作用，该线称为推力作用线。因此，力的平移必须等于AB/2，这里为圆环的塑性极限弯矩。将此引入方程（2.2）得出 （a）形成破损机构需要四个塑性铰 （b）作用在四分之一圆环上的力图2.1一对集中力作用下的受压圆环的破损机构或者 （2.3）当时，得到初始破损载荷 （2.4）其中，D是圆环直径。联合式（2.1）、式（2.3）和式（2.4）给出载荷位移曲线（2.5）这个关系式表明，载荷随着挠度增加而减少。上述方法称为等效结构技术（equivalent structure technique ）（Mechant,1965;Reddy等,1987）。2.2 一对集中力作用下的受拉圆环当圆环受两个大小相等方向相反且向外作用的集中力作用，它的变形可以用
