管狀設計實驗方法及裝置

圖1為實驗所用的光催化凈化器，光催化反應器位于實驗臺上，反應器尺寸60cm×25cm×30cm，其左端為進氣口，連接甲醛氣體進入，右端為排氣口，實驗時，甲醛溶液在其左側甲醛揮發(fā)箱揮發(fā)得到甲醛氣體，經(jīng)進氣管進入環(huán)境測試艙，再經(jīng)反應器凈化，由排氣管排出凈化后的氣體，其中通過改變實驗中測試的實驗因素，分析反應器對甲醛的凈化效率，得出實驗結論。

1個1m×0.5m×1m的環(huán)境測試艙，其前端采用透明材料作為可視窗口。光催化反應器位于艙內的實驗臺上，其進出口均暴露于艙內空氣中。左側為甲醛揮發(fā)箱，用注射器準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)箱的一側底部安裝有一根通氣管與環(huán)境測試艙連通且管道上設有1個三通閥，一端進空氣、一端進甲醛氣體，兩端可同時開啟，即可使氣體混合進入環(huán)境測試艙內，根據(jù)環(huán)境測試艙內甲醛測試儀的濃度顯示來調節(jié)通入的空氣和甲醛氣體的量，以調節(jié)環(huán)境測試艙內甲醛氣體濃度；可開啟密閉艙內的小功率電磁式空氣壓縮機將甲醛氣體和空氣抽入環(huán)境測試艙內，艙內放置一個小型風扇，用于均勻混合艙內空氣，在實驗開始前一段時間內，風扇開啟，當艙內氣體混合均勻、甲醛測試儀讀數(shù)穩(wěn)定時再開啟凈化反應器進行實驗，以保證檢測到艙內甲醛濃度的準確性。

測試艙所有出口處均采用泡沫、膠布等進行密封。實驗結束后，利用大功率的電磁式空氣壓縮機將環(huán)境測試艙內的甲醛氣體抽到準備好的水溶液中，將其溶解，以免其擴散到空氣中，對人體造成傷害。

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

光催化技術能在一定環(huán)境溫度和壓力下將有機污染物徹底降解，并最終生成水和二氧化碳等無機小分子產(chǎn)物，具有經(jīng)濟、高效、無二次污染等優(yōu)點，是一種新型、環(huán)保、節(jié)能的空氣凈化技術。如何將光催化空氣凈化技術有效地應用到空氣凈化中是光催化降解技術實現(xiàn)的核心。當前多數(shù)研究主要進行污染物降解的可行性測試，而對光催化凈化器的設計及應用發(fā)展尚不成熟。根據(jù)上述問題，設計一種新型的光催化空氣凈化器，并制成樣機；研究其降解甲醛的影響，對凈化效果進行分析；將光催化技術應用到去除甲醛、凈化空氣的實踐中；為光催化空氣凈化器的發(fā)展提供更多依據(jù)，對改善室內空氣品質、提高人居環(huán)境的舒適性具有重要的實踐意義。

依據(jù)光催化原理設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，對實驗結果進行分析，得出結論：

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

2）通過設計正交實驗及實驗結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內可達89%，比對標準計算凈化效能，凈化效能屬于C級，具有一定實用價值。 2100433B

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

管狀結構是工程上常用的結構承載構件，廣泛在機械、土木結構設計中。以承受載荷方向劃分，管狀結構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，管狀結構的力學響應和梁很接近，因此彈性范圍內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，而塑性范圍內的分析則更為復雜。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，故其變形相當于軸壓和橫壓兩種變形模式的組合結果?？紤]到管材在3種載荷作用下的力學響應區(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，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)，保證結構的受力在彈性范圍內，這種情況下，外載荷與結構變形之間遵循廣義上的胡克定律，屬于線性小變形范圍內的力學分析，相對來說比較簡單。但在實際應用中，結構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。與彈性響應不同，塑性響應對應不可恢復的塑性能量耗散，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。因此，變形模式不同，其結構響應會有很顯著的差別。

隨著科學技術的進步，交通工具在向高速度、輕質量發(fā)展的同時，乘員的安全性受到越來越大的關注。因此，在劇烈載荷作用下，原有的承載構件需要作為能量吸收構件，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，被廣泛應用于飛機、火車、汽車等交通工具的能量耗散系統(tǒng)中。設計薄壁方管作為火車上主要能量吸收結構，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構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(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。研究詳細調研了近年來公開發(fā)表的文獻資料，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。

管狀結構管狀結構的漸進屈曲

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果。

管狀結構管狀結構的整體失穩(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)。當管長較短時，圓管發(fā)生漸進屈曲。但當管長較長時，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，關于管狀結構整體失穩(wěn)的結果不如漸進屈曲豐富。但作為承載結構，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變與幾何尺寸之間的關系進行了研究，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量系統(tǒng)進行分析。結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。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方程，分析整體失穩(wěn)與漸進屈曲之間的轉化現(xiàn)象，最終得出圓管的變形模式的轉化與管的幾何尺寸、材料屬性、沖擊速度和能量有關。文中指出，變形模式的轉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)驗的變形模式轉化的臨界速度。主要研究圓管在循環(huán)加載作用下的力學性能，給出了一個循環(huán)拉壓加載周期內的反力的理論公式。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果與實驗值符合得較好。

管狀結構研究結論

對于能量吸收構件來說，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更大的能量吸收；

（3）穩(wěn)定和可重復的變形模式。

從這幾個方面來講，膨脹管、劈裂管及翻轉管具有比較大的優(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)，也是相當不錯的選擇。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很小。因此，整體失穩(wěn)作為能量吸收構件顯然并不是好的備選方案。但作為承載構件，很多結構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，作為常用的結構，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90%。因此，在能量吸收構件設計和選擇時，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構的芯層。而膨脹管、劈裂管和翻轉管由于其平臺力穩(wěn)定，振蕩較小，可用于汽車、火車、飛機座椅等防撞部件的設計上?？偟膩碇v，軸向壓縮的管是工程中再常用不過的結構形式。

2016年12月13日，《金屬管狀液壓成形零件設計要求》發(fā)布。

2017年7月1日，《金屬管狀液壓成形零件設計要求》實施。