管狀設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

近年來(lái)，室外大氣霧霾污染程度的增加加劇了室內(nèi)空氣品質(zhì)的惡化。同時(shí)，各式各樣的新型家居用品在給生活帶來(lái)方便的同時(shí)釋放出大量揮發(fā)性有機(jī)化合物，導(dǎo)致室內(nèi)空氣質(zhì)量嚴(yán)重下降。在這些污染物中，甲醛來(lái)源廣泛，釋放濃度高，是室內(nèi)空氣主要污染物之一。

光催化技術(shù)能在一定環(huán)境溫度和壓力下將有機(jī)污染物徹底降解，并最終生成水和二氧化碳等無(wú)機(jī)小分子產(chǎn)物，具有經(jīng)濟(jì)、高效、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型、環(huán)保、節(jié)能的空氣凈化技術(shù)。如何將光催化空氣凈化技術(shù)有效地應(yīng)用到空氣凈化中是光催化降解技術(shù)實(shí)現(xiàn)的核心。當(dāng)前多數(shù)研究主要進(jìn)行污染物降解的可行性測(cè)試，而對(duì)光催化凈化器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用發(fā)展尚不成熟。根據(jù)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種新型的光催化空氣凈化器，并制成樣機(jī)；研究其降解甲醛的影響，對(duì)凈化效果進(jìn)行分析；將光催化技術(shù)應(yīng)用到去除甲醛、凈化空氣的實(shí)踐中；為光催化空氣凈化器的發(fā)展提供更多依據(jù)，對(duì)改善室內(nèi)空氣品質(zhì)、提高人居環(huán)境的舒適性具有重要的實(shí)踐意義。

圖1為實(shí)驗(yàn)所用的光催化凈化器，光催化反應(yīng)器位于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，反應(yīng)器尺寸60cm×25cm×30cm，其左端為進(jìn)氣口，連接甲醛氣體進(jìn)入，右端為排氣口，實(shí)驗(yàn)時(shí)，甲醛溶液在其左側(cè)甲醛揮發(fā)箱揮發(fā)得到甲醛氣體，經(jīng)進(jìn)氣管進(jìn)入環(huán)境測(cè)試艙，再經(jīng)反應(yīng)器凈化，由排氣管排出凈化后的氣體，其中通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)中測(cè)試的實(shí)驗(yàn)因素，分析反應(yīng)器對(duì)甲醛的凈化效率，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

1個(gè)1m×0.5m×1m的環(huán)境測(cè)試艙，其前端采用透明材料作為可視窗口。光催化反應(yīng)器位于艙內(nèi)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，其進(jìn)出口均暴露于艙內(nèi)空氣中。左側(cè)為甲醛揮發(fā)箱，用注射器準(zhǔn)確抽取少量的甲醛溶液，迅速將其滴入到固定在揮發(fā)箱底部紙杯里的棉花團(tuán)上，快速將揮發(fā)箱的蓋子蓋好，已知甲醛揮發(fā)箱采用水封的作用，密閉性良好；在甲醛揮發(fā)箱的一側(cè)底部安裝有一根通氣管與環(huán)境測(cè)試艙連通且管道上設(shè)有1個(gè)三通閥，一端進(jìn)空氣、一端進(jìn)甲醛氣體，兩端可同時(shí)開啟，即可使氣體混合進(jìn)入環(huán)境測(cè)試艙內(nèi)，根據(jù)環(huán)境測(cè)試艙內(nèi)甲醛測(cè)試儀的濃度顯示來(lái)調(diào)節(jié)通入的空氣和甲醛氣體的量，以調(diào)節(jié)環(huán)境測(cè)試艙內(nèi)甲醛氣體濃度；可開啟密閉艙內(nèi)的小功率電磁式空氣壓縮機(jī)將甲醛氣體和空氣抽入環(huán)境測(cè)試艙內(nèi)，艙內(nèi)放置一個(gè)小型風(fēng)扇，用于均勻混合艙內(nèi)空氣，在實(shí)驗(yàn)開始前一段時(shí)間內(nèi)，風(fēng)扇開啟，當(dāng)艙內(nèi)氣體混合均勻、甲醛測(cè)試儀讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)再開啟凈化反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以保證檢測(cè)到艙內(nèi)甲醛濃度的準(zhǔn)確性。

測(cè)試艙所有出口處均采用泡沫、膠布等進(jìn)行密封。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，利用大功率的電磁式空氣壓縮機(jī)將環(huán)境測(cè)試艙內(nèi)的甲醛氣體抽到準(zhǔn)備好的水溶液中，將其溶解，以免其擴(kuò)散到空氣中，對(duì)人體造成傷害。

依據(jù)光催化原理設(shè)計(jì)一種管狀光催化空氣凈化器，以甲醛為污染氣體進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論：

1）在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，自行設(shè)計(jì)的管狀光催化反應(yīng)器與傳統(tǒng)的平板式反應(yīng)器對(duì)比，甲醛的降解效率提高了14%。

2）通過(guò)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行凈化實(shí)驗(yàn)，甲醛的降解效率在120min內(nèi)可達(dá)89%，比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算凈化效能，凈化效能屬于C級(jí)，具有一定實(shí)用價(jià)值。 2100433B

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(jìn)屈曲、整體失穩(wěn)、翻轉(zhuǎn)、膨脹和劈裂。

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(jī)械、土木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)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?？紤]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(duì)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(huì)采用一個(gè)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(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單。但在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)可能遭遇超過(guò)彈性極限的載荷，如汽車正面碰撞時(shí)，其前縱梁的載荷超過(guò)彈性極限載荷，發(fā)生大的塑性變形，對(duì)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(duì)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(huì)有很顯著的差別。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，交通工具在向高速度、輕質(zhì)量發(fā)展的同時(shí)，乘員的安全性受到越來(lái)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(guò)程中的沖擊動(dòng)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(jī)、火車、汽車等交通工具的能量耗散系統(tǒng)中。設(shè)計(jì)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(guò)程中的碰撞能量。利用薄壁圓管作為飛機(jī)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(jī)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(zhǎng)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(jìn)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(duì)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(shí)驗(yàn)、理論以及數(shù)值模擬3個(gè)方面進(jìn)行了深入的研究。研究詳細(xì)調(diào)研了近年來(lái)公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料，對(duì)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(jìn)行了比較與分析，供科研工作者和工程師進(jìn)行參考。

管狀結(jié)構(gòu)管狀結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)屈曲

如圖2(a)所示，漸進(jìn)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(zhǎng)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(jìn)屈曲。

對(duì)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(méi)有附加模具的情況下，軸壓作用下的金屬圓管常常會(huì)出現(xiàn)兩種失效模式：漸進(jìn)屈曲和整體失穩(wěn)。當(dāng)管長(zhǎng)較短時(shí)，圓管發(fā)生漸進(jìn)屈曲。但當(dāng)管長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，由于局部擾動(dòng)的影響，圓管將會(huì)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(lái)講，關(guān)于管狀結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)的結(jié)果不如漸進(jìn)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(shí)驗(yàn)和模擬3個(gè)方面對(duì)圓管變形模式的轉(zhuǎn)變與幾何尺寸之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，定義了表示從漸進(jìn)屈曲變成整體失穩(wěn)時(shí)的圓管極限屈曲長(zhǎng)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(jìn)屈曲現(xiàn)象分為壓縮和屈曲兩個(gè)過(guò)程，其中壓縮過(guò)程的作用是管的長(zhǎng)度在壓縮后縮短，屈曲過(guò)程通過(guò)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)進(jìn)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(gè)褶皺的形成速度。對(duì)于強(qiáng)化效應(yīng)弱的材料，褶皺的形成速度較快，且更穩(wěn)定。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了兩種失效模式之間的過(guò)渡現(xiàn)象，將圓管的變形模型簡(jiǎn)化為幾個(gè)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(zhǎng)度經(jīng)驗(yàn)公式。分析沖擊載荷對(duì)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(dòng)態(tài)塑性屈曲、動(dòng)態(tài)漸進(jìn)屈曲和整體屈曲。從應(yīng)力波傳播理論分析了動(dòng)態(tài)塑性屈曲和動(dòng)態(tài)漸進(jìn)屈曲過(guò)程，得出一種基于經(jīng)驗(yàn)的變形模式轉(zhuǎn)化理論(漸進(jìn)屈曲到整體失穩(wěn))，而且發(fā)現(xiàn)真實(shí)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(guò)程中只有塑性鉸部分變形，用拉格朗日方法建立動(dòng)力學(xué)方程，分析整體失穩(wěn)與漸進(jìn)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(gè)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(shí)的變形模式。而且給出了一個(gè)基于經(jīng)驗(yàn)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(gè)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(guò)程中的變形示意圖如圖3所示。其中邊界變形采用漸進(jìn)屈曲圓環(huán)模式理論進(jìn)行分析，中間變形采用漸進(jìn)屈曲鉆石模式理論進(jìn)行分析，在D/t比較大的情況下其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值符合得較好。

管狀結(jié)構(gòu)研究結(jié)論

對(duì)于能量吸收構(gòu)件來(lái)說(shuō)，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(jià)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(zhǎng)的行程，因此反力對(duì)位移積分后對(duì)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(gè)方面來(lái)講，膨脹管、劈裂管及翻轉(zhuǎn)管具有比較大的優(yōu)勢(shì)。而漸進(jìn)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(jī)構(gòu))，也是相當(dāng)不錯(cuò)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(duì)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(huì)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(guò)程中管長(zhǎng)變化來(lái)看，只有膨脹管發(fā)生周向的塑性變形，管長(zhǎng)基本不發(fā)生變化；其他幾種失效模式，管長(zhǎng)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(jì)和選擇時(shí)，也需要考慮空間的許可條件來(lái)選擇合適的形式。從工程應(yīng)用方面來(lái)看，漸進(jìn)屈曲不需要附加觸

發(fā)模具，實(shí)際生產(chǎn)方便，且漸進(jìn)屈曲的變形局限于軸向，不會(huì)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(tái)力穩(wěn)定，振蕩較小，可用于汽車、火車、飛機(jī)座椅等防撞部件的設(shè)計(jì)上。總的來(lái)講，軸向壓縮的管是工程中再常用不過(guò)的結(jié)構(gòu)形式。

2016年12月13日，《金屬管狀液壓成形零件設(shè)計(jì)要求》發(fā)布。

2017年7月1日，《金屬管狀液壓成形零件設(shè)計(jì)要求》實(shí)施。