仿竹結(jié)構(gòu)耐撞薄壁管及其能量吸收機(jī)制研究

薄壁管不僅是車輛、航天器、武器和飛機(jī)等的主要結(jié)構(gòu)，也是重要的能量吸收元件，隨著輕量化設(shè)計(jì)的增多和安全性能要求的提高，在保障薄壁管強(qiáng)度和剛度的條件下，提高其能量吸收性能面臨著理論、方法和技術(shù)上的挑戰(zhàn)。本研究通過結(jié)構(gòu)仿生原理將竹結(jié)構(gòu)應(yīng)用到薄壁管的設(shè)計(jì)中，進(jìn)而提高了其能量吸收特性，主要內(nèi)容和重要結(jié)果如下： 本研究以毛竹(Phyllostachy pubescens)為研究對象，通過動態(tài)拉伸試驗(yàn)和落錘沖擊試驗(yàn)，得到1年生竹材的抗拉強(qiáng)度是251MPa，比強(qiáng)度是2A12鋁合金的1.85倍；在落錘沖擊試驗(yàn)中，帶節(jié)試樣與節(jié)間試樣總吸能分別為568.47J和409.3J，比吸能分別為9.96J/g和5.21J/g，分別與鋼管和銅管的比吸能接近。通過微觀形貌分析得出維管束從竹青到竹黃的梯度分布密度為18:9:4；通過宏觀形貌分析得出，節(jié)間距沿著生長方向的變化規(guī)律為正態(tài)分布，而直徑自下而上（沿著生長方向）呈線性減小。 根據(jù)竹子的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征，設(shè)計(jì)了仿竹吸能結(jié)構(gòu)。根據(jù)竹材梅花狀維管束的形貌，沿徑向設(shè)計(jì)了仿生截面單元，并根據(jù)維管束從竹青到竹黃的梯度分布規(guī)律，設(shè)計(jì)了仿生單元的分布模式。為了提高薄壁管的徑向承載能力，根據(jù)竹子的宏觀特征，沿軸向設(shè)計(jì)了仿竹節(jié)結(jié)構(gòu)和變直徑特征。項(xiàng)目共設(shè)計(jì)仿生吸能結(jié)構(gòu)3類：無節(jié)仿生管、帶節(jié)仿生管和變直徑仿生管。 通過有限元仿真分析了仿生吸能結(jié)構(gòu)的能量吸收特性，得到：軸向沖擊時，1號仿生管的比吸能最大，為36.7 kJ/kg，比普通圓管提高了4.3倍；徑向沖擊時，普通圓管的平均載荷為11 kN，1號仿生管平均載荷為25.9 kN；1號仿生管的抗彎強(qiáng)度為22.5MPa，比四晶胞管的抗彎強(qiáng)度提高了1.5倍。通過響應(yīng)面法對仿生結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，得出最優(yōu)尺寸為：仿生單元厚度為1 mm，仿生內(nèi)管的厚度為0.628 mm。優(yōu)化后仿生管的始峰值載荷和比吸能分別為157.57 kN和34.33 kJ/kg。最后，通過機(jī)械加工和3D打印制備了3類11個仿生吸能管結(jié)構(gòu)，通過落錘試驗(yàn)測試了其軸向能量吸收，試驗(yàn)與仿真結(jié)果趨勢一致。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，項(xiàng)目提出的仿竹吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可行，可為吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論和技術(shù)依據(jù)。

薄壁管不僅是車輛、航天器和武器等的主要結(jié)構(gòu)，也是重要的能量吸收元件，隨著輕量化設(shè)計(jì)的增多和安全性要求的提高，優(yōu)化其能量吸收性能面臨著理論、方法和技術(shù)上的挑戰(zhàn)。自然界中，為承受自身的質(zhì)量及生長環(huán)境的載荷，許多生物采用了輕質(zhì)的管狀結(jié)構(gòu)，并體現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)性能，這為薄壁管優(yōu)化提供了參考。本項(xiàng)目選取竹子為仿生對象，在保障薄壁管徑向強(qiáng)度和剛度的條件下，以提高其能量吸收為研究目標(biāo)。試驗(yàn)研究竹子的動態(tài)力學(xué)性能、能量吸收特性和宏微觀結(jié)構(gòu)，分析竹子在沖擊過程中多尺度的變形、剝離和斷裂，構(gòu)建竹結(jié)構(gòu)與耐撞性之間的物理模型。運(yùn)用仿生學(xué)方法將竹子的耐撞性結(jié)構(gòu)應(yīng)用到薄壁管的設(shè)計(jì)中，并研究其制備方法和工藝。通過落錘試驗(yàn)、有限元仿真和沖擊動力學(xué)理論，探討仿生耐撞薄壁管的變形模式及控制方法，分析仿生因素對能量吸收的影響規(guī)律，揭示能量吸收機(jī)制。研究成果可為結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)提供新思路，具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用前景。

本書闡述結(jié)構(gòu)和材料在靜載荷和沖擊載荷作用下的能量吸收，是世界上該領(lǐng)域的第一部系統(tǒng)專著。本書著重于對基本概念、簡單結(jié)構(gòu)元件和常用工程材料的論述，同時結(jié)合了能量吸收裝置的設(shè)計(jì)、車輛耐撞性的評估以及減輕沖擊損壞的包裝設(shè)計(jì)等當(dāng)今社會和工程界關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

全書共12章，第1章介紹工程背景和碰撞能量吸收裝置的設(shè)計(jì)原則；第2章、第3章分別介紹理論和實(shí)驗(yàn)研究的基本原理和方法；第4章～第9章考察了常見簡單構(gòu)件在不同加載條件下的能量吸收；第10章研究了具有優(yōu)良能量吸收特性的多胞材料；第11章對復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的研究做了概括；第12章包含了四個工程實(shí)例研究。

本書可供機(jī)械和結(jié)構(gòu)工程師，對結(jié)構(gòu)和材料防撞設(shè)計(jì)和能量吸收評估有興趣的研究工作者閱讀、參考，也可用做力學(xué)、機(jī)械、航空航天和材料科學(xué)等專業(yè)師生的教學(xué)參考書。

1 緒論

1.1 車輛事故及其后果

1.2 能量吸收結(jié)構(gòu)/材料的應(yīng)用

1.3 設(shè)計(jì)能量吸收結(jié)構(gòu)和選擇能量吸收材料

2 能量吸收能力的分析方法

2.1 材料行為的理想化

2.2 極限分析和界限定理

2.3 大變形效應(yīng)

2.4 動載荷效應(yīng)

2.5 能量法

3 量綱分析和實(shí)驗(yàn)技術(shù)

3.1 量綱分析

3.2 小尺度結(jié)構(gòu)模型

3.3 實(shí)驗(yàn)技術(shù)

4 圓環(huán)和圓環(huán)系統(tǒng)

4.1 一對集中力作用下的受壓圓環(huán)

4.2 一對集中力作用下的受拉圓環(huán)

4.3 集中力作用下的固支半圓拱

4.4 兩平板對壓下的圓環(huán)

4.5 橫向受約束的圓管

4.6 端部受撞擊的一維圓環(huán)系統(tǒng)

4.7 圓管陣列的橫向壓潰

4.8 其他圓環(huán)/圓管系統(tǒng)

4.9 小結(jié)

5 橫向載荷作用下的薄壁構(gòu)件

5.1 集中力作用下的圓管

5.2 鈍楔對圓管的壓入

5.3 薄壁構(gòu)件的彎曲破壞

5.4 其他加載系統(tǒng)與評論

6 軸向壓潰的薄壁構(gòu)件

6.1 圓管

6.2 方管

6.3 帽形和雙帽形截面

6.4 泡沫充填效應(yīng)

6.5 進(jìn)一步評論

7 結(jié)構(gòu)碰撞與慣性敏感性

7.1 碰撞引起的結(jié)構(gòu)局部變形

7.2 慣性敏感能量吸收結(jié)構(gòu)

8 伴隨有韌性撕裂的塑性變形

8.1 撕裂能量的測量

8.2 金屬圓管的軸向劈裂

8.3 正方形金屬管的軸向劈裂

8.4 金屬管的刺穿

8.5 尖楔切割金屬板

8.6 小結(jié)

9 圓柱殼和球殼

9.1 管子翻轉(zhuǎn)

9.2 管件向內(nèi)的鼻狀成型

9.3 球殼的翻轉(zhuǎn)

9.4 海底管道塌陷的傳播

9.5 小結(jié)

10 多胞材料

10.1 蜂窩材料

10.2 泡沫材料

10.3 木材

10.4 多胞材料對碰撞的響應(yīng)

10.5 多胞紡織復(fù)合材料

11 復(fù)合材料和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

11.1 影響能量吸收特性的因素

11.2 圓管的軸向壓潰

11.3 其他幾何形狀管件的軸向壓潰

11.4 管件彎曲

11.5 關(guān)于復(fù)合材料管件壓潰的評論

11.6 復(fù)合材料包裹的金屬管件的軸向壓潰

11.7 復(fù)合材料夾層板

12 工程實(shí)例研究

12.1 巖石滾落防護(hù)網(wǎng)

12.2 利用塑料泡沫材料進(jìn)行包裝

12.3 車輛內(nèi)部裝修的設(shè)計(jì)

12.4 波紋梁護(hù)欄系統(tǒng)

參考文獻(xiàn)

名詞術(shù)語 2100433B

卡包:GLAS

日文名:エネルギー吸収板

中文名:能量吸收板

罕貴度:面閃SR

卡種:陷阱

陷阱種類:普通陷阱

效果:對方控制的卡效果讓自己受到傷害的場合，那個傷害無效，自己基本分恢復(fù)無效的數(shù)值。2100433B