夹芯薄壁金属管结构的缓冲力模型.pdf
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1、-117-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024中国科技信息 2024 年第 6 期三星推荐碰撞问题发生在生活中的方方面面,为了保护设备和人员的安全,需要进行相应的冲击防护设计。薄壁金属管由于其结构简单,成本低等特性,在日常生活中的防冲击领域有比较多的应用。薄壁金属结构根据其截面形状和受力方式的不同也可以分为很多种不同的类型,而且为了改善薄壁金属管结构的性能,有众多学者在原始金属管基础上增加了一些改进,并对其进行了理论、仿真和试验的分析。夹芯结构整体密度低,比刚度和比模量高,拥有优良的力学性能,夹芯结构通过其塑性变形可以吸收大量的能量
2、,缓和冲击力,其已大量应用于包装、重要设备的防护和军事工程中。薄壁金属管结构中的膨胀管拥有良好的缓存吸能特性,而金属夹芯结构在爆炸防冲击方面也有很好的特性。在查阅了相关领域的文献后,发现对金属夹芯结构和膨胀金属管相结合研究其减震吸能特性的文章很少。为了了解该结构在轴向冲击下的吸能特性,本文通过理论模型推导和有限元仿真的方法分析该组合结构缓冲力与结构参数和材料参数的关系,对为以后类似的减震吸能结构设计提供参考。夹芯薄壁金属管的结构本文提出的夹芯薄壁金属管结构如图 1 和图 2 所示,锥体压入内圆管使其膨胀变形,而膨胀后的内圆管压缩排列其周围的内圆管,根据其结构形式和变形吸能的模式可以将其分为两个
3、过程。首先研究膨胀圆管轴压下的缓冲力模型和夹芯圆管受横向压缩下的缓冲力模型,然后根据两种结构的变形特点将两者的理论模型相结合,得到组合结构在受轴压下行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度夹芯薄壁金属管结构的缓冲力模型谢清平乔凯俐谢清平 乔凯俐中国飞行试验研究院图 1 夹芯结构侧面示意图图 2 夹芯薄壁金属管排列示意图中国科技信息 2024 年第 6 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024-118-三星推荐的缓冲力理论模型。缓冲力理论模型的建立膨胀圆管轴压理论模型对于膨胀圆管在轴向压缩下的理论缓冲
4、力的研究,已经有不少学者做过相应的工作。以往的学者大多数都是将变形后的膨胀管管壁假设成由三段直线式,但是根据实际的试验结果和有限元仿真结果来看,三段直线式的假设并不是很符合膨胀管变形后实际的情况,因为三段直线式假设中两段直线之间的交点会导致斜率不连续,而且从试验结果来看,膨胀管变形后的内径是要稍大于锥体外径的。为了得到更准确的夹芯薄壁结构缓冲力模型,本文采用刘雨喆提出的圆弧式构型作为膨胀管变形后的管壁轮廓。如图 3 所示,刚性锥体的最大半径为,半锥角为 a,膨胀管初始未变形段的半径为 r0,厚度为 t0。刚性锥体压入膨胀管后,膨胀管发生扩径变形,最先变形的管壁部分向外弯曲,形成一个曲率半径为
5、b 的圆弧段 AB,由于临界模式的特点,该圆弧段向外弯曲一定角度后开始向内弯曲,向内弯曲的圆弧段 BC 半径同样是 b,并且由锥台斜面在接触点 B处与管壁相切的特点,可以得到两端圆弧对应的角度等于刚性锥体的半锥角 a。将变形后的膨胀管半径定义为 r2,B 点对应的膨胀管半径为 r1。假设刚性锥体以 v0的速度从膨胀管的一端沿轴线方向运动,为了保持此运动而施加到刚性锥体上的力为 F,当膨胀管的变形到达稳定状态后,外力 F 和膨胀管变形所消耗的能量达到平衡,即膨胀管的塑性变形消耗的能量和膨胀管与刚性锥体之间摩擦消耗的能量等于外力 F 沿膨胀管轴向运动做的功,根据能量守恒,可以得到以下关系:(1)式
6、(1)中,E为膨胀管扩张拉伸的能量耗散功率,El为膨胀管由于弯曲产生的能量耗散率,表示为:Ef为摩擦产生的能量耗散。通过几何关系和式(1)所以最终的稳态压缩反力表示为:(2)式(2)中的 r2为:(3)将式(3)代入式(2)即可得到相应的最小压缩反力。此时的模具半径称为临界模具半径,表示为:(4)当实际的模具半径时,金属圆管按照上述规律进行膨胀,相应的变形模式定义为临界接触模式。通过式(4)可以得到临界状态下膨胀管轴向压缩下变形后的尺寸和稳态缓冲力。本文研究的内圆管扩径量比较大,因此最终是面接触模式,接下来需要对面接触模式下缓冲力进行推导。如图 4 所示,当时,圆管的变形模式被定义为面接触模式
7、。在这种情况下,弧段 AB-、B+C 仍然保持临界接触模式下的曲率半径 b,而圆管与模具在 B+B-之间发生面接触。根据几何关系,可以得到接触区域 B+B-的长度XB为:(5)由几何关系可以得到:(6)(7)圆管膨胀后半径为:(8)将 r2代入式(2)即可得到点接触模式下的稳态缓冲力。在真实的膨胀过程中,圆管与模具锥面之间存在摩擦。假设接触区域的摩擦与圆管的塑性变形不耦合,即摩擦的存在与否和摩擦力的大小都不会影响到塑性耗能。另一方面,圆管管壁施加在模具锥面法向的压力 N 是由金属圆管塑性耗能决定的,所以摩擦力对 N 也没有影响。故可以在光滑的情况下先通过模具的轴向平衡计算出 N,再通过其引入摩
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