管狀結(jié)構(gòu)軸壓管狀結(jié)構(gòu)的吸能特性比較

管狀結(jié)構(gòu)是工程上常用的結(jié)構(gòu)承載構(gòu)件，廣泛在機械、土木結(jié)構(gòu)設(shè)計中。以承受載荷方向劃分，管狀結(jié)構(gòu)的載荷可以分為橫向載荷、軸向載荷以及斜向載荷3種，如圖1所示。橫向載荷是指載荷方向垂直于管的軸線。在橫向載荷作用下，管狀結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)和梁很接近，因此彈性范圍內(nèi)可以作為具有特殊截面(空心截面)的梁進行受力和變形分析，而塑性范圍內(nèi)的分析則更為復(fù)雜。軸向載荷是指載荷沿著管的軸線方向，拉伸或者壓縮。斜向載荷可以分解為軸向載荷和橫向載荷，故其變形相當(dāng)于軸壓和橫壓兩種變形模式的組合結(jié)果。考慮到管材在3種載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)區(qū)別很大，研究中的綜述對象只限于受軸向壓縮載荷作用的空心管。

若軸向載荷比較小，管材的變形則在彈性范圍內(nèi)，這是大多數(shù)工程中比較常見的情況。工程師們通常會采用一個保守的安全系數(shù)，保證結(jié)構(gòu)的受力在彈性范圍內(nèi)，這種情況下，外載荷與結(jié)構(gòu)變形之間遵循廣義上的胡克定律，屬于線性小變形范圍內(nèi)的力學(xué)分析，相對來說比較簡單。但在實際應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)可能遭遇超過彈性極限的載荷，如汽車正面碰撞時，其前縱梁的載荷超過彈性極限載荷，發(fā)生大的塑性變形，對汽車本身甚至乘客造成損害。與彈性響應(yīng)不同，塑性響應(yīng)對應(yīng)不可恢復(fù)的塑性能量耗散，以及殘余的塑性變形。顯然塑性變形是非線性的，且與變形歷史相關(guān)。因此，變形模式不同，其結(jié)構(gòu)響應(yīng)會有很顯著的差別。

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，交通工具在向高速度、輕質(zhì)量發(fā)展的同時，乘員的安全性受到越來越大的關(guān)注。因此，在劇烈載荷作用下，原有的承載構(gòu)件需要作為能量吸收構(gòu)件，以耗散碰撞過程中的沖擊動能。塑性變形是將沖擊載荷的能量轉(zhuǎn)化為不可逆的塑性耗散能而消耗掉。薄壁圓管或方管以其良好的吸能特性，被廣泛應(yīng)用于飛機、火車、汽車等交通工具的能量耗散系統(tǒng)中。設(shè)計薄壁方管作為火車上主要能量吸收結(jié)構(gòu)，用以吸收低速碰撞過程中的碰撞能量。利用薄壁圓管作為飛機上的能量吸收器，提出了一種新的圓管塑性坍塌的觸發(fā)機制。與受橫向載荷相比，軸向載荷作用下的管狀構(gòu)件具有更長的行程，能量吸收特性更好。本文將主要分析管狀結(jié)構(gòu)軸向載荷作用下的塑性失效形式，以及能量吸收特性。以圓管為例，在軸壓作用下的塑性失效模式可以分為5類：漸進屈曲(progressivebuck—ling)，整體失穩(wěn)(globalbuckling)，翻轉(zhuǎn)(inversion)，膨脹(expansion)，劈裂(splitting)；如圖2所示。對于這幾種變形模式下的反力和能量吸收特性，很多學(xué)者從實驗、理論以及數(shù)值模擬3個方面進行了深入的研究。研究詳細(xì)調(diào)研了近年來公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料，對軸向載荷作用下的圓管及方管在不同變形模式下的力學(xué)特性、能量吸收特性進行了比較與分析，供科研工作者和工程師進行參考。

管狀結(jié)構(gòu)管狀結(jié)構(gòu)的漸進屈曲

如圖2(a)所示，漸進屈曲模式是管的局部發(fā)生折疊式變形，在軸向載荷作用下，此折疊變形是在管的長度方向反復(fù)出現(xiàn)的一種塑性失效模式。圓管和方管都可能發(fā)生漸進屈曲。

對于軸壓作用下的圓管變形模式的理論研究，主要集中于圓環(huán)模式和鉆石模式，而混合模式可以看作是由兩種模式的組合結(jié)果。

管狀結(jié)構(gòu)管狀結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)

在沒有附加模具的情況下，軸壓作用下的金屬圓管常常會出現(xiàn)兩種失效模式：漸進屈曲和整體失穩(wěn)。當(dāng)管長較短時，圓管發(fā)生漸進屈曲。但當(dāng)管長較長時，由于局部擾動的影響，圓管將會發(fā)生整體失穩(wěn)現(xiàn)象，其變形模式如圖2(b)所示。就理論分析成果來講，關(guān)于管狀結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)的結(jié)果不如漸進屈曲豐富。但作為承載結(jié)構(gòu)，這種失效模式很常見，因此是比較重要的。從理論、實驗和模擬3個方面對圓管變形模式的轉(zhuǎn)變與幾何尺寸之間的關(guān)系進行了研究，定義了表示從漸進屈曲變成整體失穩(wěn)時的圓管極限屈曲長度。文中采用桿的失穩(wěn)理論分析了整體失穩(wěn)現(xiàn)象，而且將漸進屈曲現(xiàn)象分為壓縮和屈曲兩個過程，其中壓縮過程的作用是管的長度在壓縮后縮短，屈曲過程通過彈簧質(zhì)量系統(tǒng)進行分析。結(jié)果表明圓管以哪種失效模式失效取決于第一個褶皺的形成速度。對于強化效應(yīng)弱的材料，褶皺的形成速度較快，且更穩(wěn)定。通過實驗研究了兩種失效模式之間的過渡現(xiàn)象，將圓管的變形模型簡化為幾個塑性鉸，采用塑性鉸理論得到了圓形截面和方形截面管材的臨界長度經(jīng)驗公式。分析沖擊載荷對兩種失效模式的影響，指出兩種失效模式的形成與載荷有關(guān)。文中將圓管軸壓屈曲分為動態(tài)塑性屈曲、動態(tài)漸進屈曲和整體屈曲。從應(yīng)力波傳播理論分析了動態(tài)塑性屈曲和動態(tài)漸進屈曲過程，得出一種基于經(jīng)驗的變形模式轉(zhuǎn)化理論(漸進屈曲到整體失穩(wěn))，而且發(fā)現(xiàn)真實的變形模式的出現(xiàn)取決于局部變形的速度。假設(shè)在整體失穩(wěn)過程中只有塑性鉸部分變形，用拉格朗日方法建立動力學(xué)方程，分析整體失穩(wěn)與漸進屈曲之間的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，最終得出圓管的變形模式的轉(zhuǎn)化與管的幾何尺寸、材料屬性、沖擊速度和能量有關(guān)。文中指出，變形模式的轉(zhuǎn)化是由第一個褶皺的形成速度決定，壓縮階段完成后速度大的變形模式為真實的變形模式。而且給出了一個基于經(jīng)驗的變形模式轉(zhuǎn)化的臨界速度。主要研究圓管在循環(huán)加載作用下的力學(xué)性能，給出了一個循環(huán)拉壓加載周期內(nèi)的反力的理論公式。整體失穩(wěn)過程中的變形示意圖如圖3所示。其中邊界變形采用漸進屈曲圓環(huán)模式理論進行分析，中間變形采用漸進屈曲鉆石模式理論進行分析，在D/t比較大的情況下其結(jié)果與實驗值符合得較好。

管狀結(jié)構(gòu)研究結(jié)論

對于能量吸收構(gòu)件來說，需要遵循的普遍原則是，要以可控制的方式耗散外部輸入的能量。若不考慮質(zhì)量小、比能量吸收率高和造價低的因素，最重要的因素是：

（1）反力的峰值有限(最好為恒定的反作用力)；

（2）較長的行程，因此反力對位移積分后對應(yīng)更大的能量吸收；

（3）穩(wěn)定和可重復(fù)的變形模式。

從這幾個方面來講，膨脹管、劈裂管及翻轉(zhuǎn)管具有比較大的優(yōu)勢。而漸進屈曲若能去掉不受歡迎的初始峰值載荷(如加合理的觸發(fā)機構(gòu))，也是相當(dāng)不錯的選擇。整體失穩(wěn)只在很局部的區(qū)域存在塑性變形，這種變形的局部化使其他部分對能量吸收的貢獻(xiàn)很小。因此，整體失穩(wěn)作為能量吸收構(gòu)件顯然并不是好的備選方案。但作為承載構(gòu)件，很多結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下都會發(fā)生整體失穩(wěn)，如汽車縱梁在縱向事故中的變形。因此，作為常用的結(jié)構(gòu)，如何在保持其承載能力的前提下，提高其碰撞安全性，是有意義的研究課題。

從圓管在軸壓作用下變形過程中管長變化來看，只有膨脹管發(fā)生周向的塑性變形，管長基本不發(fā)生變化；其他幾種失效模式，管長均發(fā)生明顯變化，其中劈裂模式的變化最劇烈，甚至可以高達(dá)90%。因此，在能量吸收構(gòu)件設(shè)計和選擇時，也需要考慮空間的許可條件來選擇合適的形式。從工程應(yīng)用方面來看，漸進屈曲不需要附加觸

發(fā)模具，實際生產(chǎn)方便，且漸進屈曲的變形局限于軸向，不會發(fā)生很大的橫向變形，故也可用于做夾芯結(jié)構(gòu)的芯層。而膨脹管、劈裂管和翻轉(zhuǎn)管由于其平臺力穩(wěn)定，振蕩較小，可用于汽車、火車、飛機座椅等防撞部件的設(shè)計上?？偟膩碇v，軸向壓縮的管是工程中再常用不過的結(jié)構(gòu)形式。

圓管、方管等管狀結(jié)構(gòu)受軸向的壓縮作用，是工程上常見的一種結(jié)構(gòu)受力形式。由于幾何尺寸、邊界條件和材料特性的不同，管狀結(jié)構(gòu)可以發(fā)生5種不同的失效模式：漸進屈曲、整體失穩(wěn)、翻轉(zhuǎn)、膨脹和劈裂。

大量的實驗研究證明用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)作為能量吸收元件要比一些常用的金屬材料結(jié)構(gòu)具有較高的能量吸收能力，并且壓潰載荷分布均勻。復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)作為能量吸收元件已經(jīng)在航天、航空、各類運輸系統(tǒng)、建筑和運動器材等其它防護裝置方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的能量吸收機理和能力既不同于傳統(tǒng)的剛度、強度等機械性能，也不同于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在載荷作用后的損傷表征和剩余強度。因此，不論是研究的目標(biāo)還是研究的手段，都有其獨特之處。許多研究結(jié)果表明復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的能量吸收機理與壓潰(塌陷)形態(tài)不同于金屬結(jié)構(gòu)。纖維的斷裂及其擴展方向、基體的開裂以及纖維與基體界面的連接強度是影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)能量吸收機理和壓潰(塌陷)形態(tài)的因素。研究主要綜述了有關(guān)復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)在軸向壓縮載荷和橫向彎曲載荷作用下的壓潰(塌陷)破壞模式和能量吸收機理，纖維材料和基體材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)成型工藝、結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)、纖維的增強方向和鋪層次序以及實驗環(huán)境對結(jié)構(gòu)的能量吸收能力、破壞模式和能量吸收機理的影響，以及某些有關(guān)復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)能量吸收能力的理論預(yù)測方法。

管狀結(jié)構(gòu)破壞模式和能量吸收機理

（1）軸向載荷下壓潰破壞模式通過大量的實驗觀察得出：

a)熱脆性復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)在軸壓載荷作用下首先形成初始的層間裂紋并逐步分成兩部份。隨著壓潰變形的逐步發(fā)展，沿管子內(nèi)、外向分層彎曲變形的擴展將導(dǎo)致復(fù)合材料沿管子的周向撕裂成較多的花瓣形狀的纖維束(條)最終產(chǎn)生蘑菇形狀的破壞。這種破壞模式具有連續(xù)穩(wěn)定的壓潰變形過程和較高的能量吸收能力如圖4(a,b,c)所示。

b)某些熱脆性復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)在軸向載荷作用下，管內(nèi)的縱向裂紋將沿著管子的周向迅速擴展而方錐形管子四角處的縱向裂紋也將沿管子的周向迅速擴展從而發(fā)生突然的脆性斷裂破壞，如圖4(d,e)。所示此種壓潰模式是一種非穩(wěn)定的破壞模式并使其能量吸收能力大大降低。

c)通過對非常薄的復(fù)合材料圓管和半角小于15°的方形錐管進行軸向壓潰破壞試驗，發(fā)現(xiàn)該類型復(fù)合材料管子在軸向壓潰過程中產(chǎn)生變形鉸并繞著該鉸產(chǎn)生折疊如圖4(f)。

復(fù)合材料增強金屬內(nèi)襯管子在軸向載荷作用下的壓潰破壞模式主要為：

a)當(dāng)復(fù)合材料增強金屬管子的界面連接強度足夠大時，軸向壓潰模式取決于金屬內(nèi)襯的軸向壓潰模式如圖5a所示。

b)當(dāng)復(fù)合材料增強金屬管子的界面連接強度較弱時，纖維增強層將與金屬內(nèi)襯脫層分離導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)壓潰破壞如圖5c所示。

c)當(dāng)金屬內(nèi)襯材料的延性較差時，將呈現(xiàn)花瓣狀壓潰破壞模式或突然脆性斷裂如圖5b和圖5d所示。

（2）彎曲載荷作用下塌陷破壞模式

對于復(fù)合材料的防護攔和運輸載體防撞裙邊結(jié)構(gòu)而言主要考慮在橫向彎曲載荷作用下該結(jié)構(gòu)的能量吸收能力和破壞模式。研究復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)在端部固支約束條件下的彎曲能量吸收能力和相應(yīng)的破壞模式。研究方形和矩形復(fù)合材料管子的彎曲塌陷破壞模式如圖6所示。管子的頂部表層是壓縮變形層，管子的底部表層是拉伸變形層，管子的兩個側(cè)面既有壓縮變形又有拉伸變形。管子三個不同變形特征區(qū)域的破壞模式具有很大的差異，另外在管子四個直角部位的應(yīng)力集中效應(yīng)也會對復(fù)合材料管子的彎曲塌陷模式有很大影響。在靠近管子固支端部的頂層表面壓縮區(qū)域發(fā)生局部屈曲并在該區(qū)域的縱向?qū)ΨQ軸附近出現(xiàn)許多垂直于管子縱向?qū)ΨQ軸的橫向微裂紋。

（3）復(fù)合材料管結(jié)構(gòu)能量吸收機理

隨著復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)的壓潰(塌陷)變形發(fā)生和持續(xù)，其結(jié)構(gòu)內(nèi)的初始微裂紋開始不斷擴展，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出的最終宏觀破壞模式：層合結(jié)構(gòu)的分層，橫向剪切破壞帶以及縱向和橫向裂紋帶并伴隨著結(jié)構(gòu)的能量耗散(吸收)。導(dǎo)致復(fù)合材料層合圓管壓潰破壞的機理主要有三種形式：1)分層彎曲，2)橫向剪切，3)局部屈曲，如圖6。所示分層彎曲破壞機理的特征表現(xiàn)為層合結(jié)構(gòu)在平行于復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)縱向出現(xiàn)多層分層或裂紋，其分層長度和裂紋長度遠(yuǎn)大于該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層的厚度。伴隨著結(jié)構(gòu)壓潰變形過程，分層折疊彎曲擴展的新的分層表面與軸向載荷平板表面發(fā)生的相對摩擦力是該結(jié)構(gòu)在此種壓潰破壞模式下能量耗散的一種因素。橫向剪切破壞機理的主要特征為：沿垂直于層合結(jié)構(gòu)橫截面的方向呈現(xiàn)多處短的并穿透結(jié)構(gòu)層厚度的楔形縱向裂紋和部分纖維層之間較短的縱向裂紋。橫向剪切破壞形態(tài)的能量吸收機理是源自穿透結(jié)構(gòu)層的楔形縱向裂紋沿縱向擴展以及分離的纖維束(板條)子層沿管子的周向發(fā)生彎曲斷裂時的能量耗散。對于延性較好的纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)而言局部屈曲纖維層的壓縮邊呈現(xiàn)較大的塑性變形而在拉伸邊則將纖維層撕裂產(chǎn)生局部分層。

方形和矩形截面復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)在彎曲載荷作用下結(jié)構(gòu)的彎曲、分層屈曲和剪切破壞形態(tài)如圖7所示。彎曲破壞的表現(xiàn)為復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)上下表面的纖維層與基體破裂。分層破壞主要發(fā)生在層合結(jié)構(gòu)的中層面附近。剪切破壞形態(tài)為纖維層和基體發(fā)生貫穿結(jié)構(gòu)橫截面斷裂。管子頂部層壓縮區(qū)域的破壞形態(tài)為：a)基體材料的剪切變形斷裂；b)分層裂紋并沿結(jié)構(gòu)的縱向軸擴展；c)垂直于管子縱向?qū)ΨQ軸的橫向裂紋。管子底部層拉伸區(qū)域的破壞形態(tài)為：a)纖維從基體內(nèi)拔出；b)纖維與基體之間的連接界面發(fā)生分離；c)縱向纖維層斷裂與分層。管子四角奌的應(yīng)力集中引起角奌附近區(qū)域開裂并影響管子頂部層壓縮區(qū)域的屈曲特性。

管狀結(jié)構(gòu)組份材料對結(jié)構(gòu)能量吸收的影響

研究結(jié)果指出碳纖維增強的熱脆性成型圓管的能量吸收能力要遠(yuǎn)大于玻璃纖維和有機纖維(Kevlar)增強的熱脆性成型圓管的能量吸收能力。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)二維三軸編織復(fù)合材料具有高的平面剪切剛度和強度，高的損傷容限和良好的抗扭曲變形的能力。適當(dāng)?shù)腒evlar纖維和玻璃纖維或碳纖維混雜在三軸編織復(fù)合材料圓管結(jié)構(gòu)中，可以提高該混雜纖維增強復(fù)合材料圓管結(jié)構(gòu)能量吸收能力。通過對復(fù)合材料增強金屬圓管能量吸收能力和軸向壓潰長度的理論預(yù)測分析和計算，發(fā)現(xiàn)金屬內(nèi)襯材料的機械性質(zhì)也將影響復(fù)合材料增強金屬圓管的軸向壓潰破壞模式。

管狀結(jié)構(gòu)實驗環(huán)境對能量吸收能力的影響

研究加載速率對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在壓潰變形過程中形成的層間分層表面之間磨擦機理的影響。并且指出，在動態(tài)載荷作用下薄壁的玻璃纖維/聚脂復(fù)合材料圓管、方管和錐型管的能量吸收能力低于其相應(yīng)結(jié)構(gòu)在靜態(tài)載荷作用下的能量吸收能力。研究環(huán)境溫度、濕度和界面強度對玻璃纖維布/環(huán)氧復(fù)合材料管子壓潰破壞模式及其能量吸收能力的影響，試驗結(jié)果表明隨著結(jié)構(gòu)的溫度升高復(fù)合材料圓管的能量吸收能力將降低。另外復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)的能量吸收能力還將隨著材料的水份增加而降低。

管狀結(jié)構(gòu)理論預(yù)測方法

以實驗觀察為基礎(chǔ)，建立相應(yīng)的理論預(yù)測模型通過合理的計算方法和優(yōu)化設(shè)計使得該類結(jié)構(gòu)具有最大的能量吸收能力，一直是該領(lǐng)域的研究工作者非常關(guān)注的焦點。基于一個在彈性基體上的柱屈曲方程，給出復(fù)合材料圓管結(jié)構(gòu)壓潰(蹋陷)力的理論預(yù)測公式。以分層內(nèi)、外折疊彎曲壓潰破壞模式為依據(jù)給出了理論預(yù)測復(fù)合材料圓管在壓潰過程中結(jié)構(gòu)吸收能量的解析表達(dá)式。利用有限元計算方法來預(yù)測復(fù)合材料圓管的壓潰載荷。利用DYNA3D應(yīng)用程序軟件包計算各種幾何參數(shù)的復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)的軸向壓潰載荷，并且指出利用有限元程序來預(yù)測復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)的壓潰模式的難點和應(yīng)注意的地方。

通過對近年來有關(guān)復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)能量吸收機理和壓潰(蹋陷)破壞模式能量吸收能力的主要研究回顧，可以看出復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的能量吸收機理和壓潰(蹋陷)破壞模式遠(yuǎn)比金屬結(jié)構(gòu)件復(fù)雜、并有許多問題有待進一步的深入研究。如：

a)纖維材料的紡織結(jié)構(gòu)和不同類型纖維材料的混雜效應(yīng)以及界面的連接強度對結(jié)構(gòu)破壞模式和能量吸收能力的影響。

b)纖維增強金屬管狀結(jié)構(gòu)的能量吸收機理和壓潰(蹋陷)破壞模式和理論預(yù)測方法的進一步深入的研究。

c)各種實驗環(huán)境對復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)件壓潰(蹋陷)破壞模式和能量吸收能力的影響。

d)組份材料的微觀破壞機理與復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)的能量吸收能力之間的關(guān)系。

依據(jù)光催化原理設(shè)計一種管狀光催化空氣凈化器，以甲醛為污染氣體進行試驗，對實驗結(jié)果進行分析，得出結(jié)論：

1）在相同的實驗條件下，自行設(shè)計的管狀光催化反應(yīng)器與傳統(tǒng)的平板式反應(yīng)器對比，甲醛的降解效率提高了14%。

2）通過設(shè)計正交實驗及實驗結(jié)果分析可得到利用管狀光催化空氣凈化器凈化甲醛的最佳實驗條件：甲醛初始濃度0.7毫克每立方米，環(huán)境溫度為25℃。

3）在最佳實驗條件下進行凈化實驗，甲醛的降解效率在120min內(nèi)可達(dá)89%，比對標(biāo)準(zhǔn)計算凈化效能，凈化效能屬于C級，具有一定實用價值。 2100433B

1 管狀帶分織物芯和鋼絲繩芯兩大類。

2 織物芯管狀帶由一層或多層掛膠帆布按特定的結(jié)構(gòu)方式粘合而成；鋼絲繩芯管狀帶由縱向具有一定間距的鋼絲繩和橫向加筋按照特定的結(jié)構(gòu)方式粘合而成。

3 覆蓋層由特殊設(shè)計的覆蓋膠和邊膠構(gòu)成。

4 根據(jù)設(shè)計和使用要求，在帶芯和覆蓋層之間可增加彈性膠或橫向剛性體。