仿竹结构薄壁管设计及其吸能特性研究

发布时间：2017-05-23 06:20

  本文关键词：仿竹结构薄壁管设计及其吸能特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：薄壁管不仅是车辆、航天器、武器和飞机等的主要结构,也是重要的能量吸收元件,随着轻量化设计的增多和安全性能要求的提高,在保障薄壁管强度和刚度的条件下,提高其能量吸收性能面临着理论、方法和技术上的挑战。本研究通过结构仿生原理将竹结构应用到薄壁管的结构设计中,进而提高其能量吸收特性。根据竹节沿生长方向梯度分布的结构特点,设计了具有仿生截面和竹节的吸能结构。轴向冲击仿真得出,无节仿生吸能结构10B的比吸能为34.35kJ/kg,较普通圆管提高了61.4%;单节仿生吸能结构11YP的比吸能为32.5kJ/kg,较普通圆管提高了52.7%;双节仿生吸能结构12YP的比吸能为28.55kJ/kg,较普通圆管提高了23.68%。横向冲击仿真得出,10B的比吸能为3.37kJ/kg,较普通圆管提高了1.26倍;11YP的比吸能为3.72kJ/kg,较普通圆管提高了1.49倍;12YP的比吸能为6.82kJ/kg,较普通圆管提高了2.69倍。分析得出,由于金属与竹材的材料差异,节结构不能提高金属薄壁结构的轴向吸能,但加 节‖能提高轴向冲击下的载荷稳定性,且节结构能明显提高横向载荷和吸能。根据竹材沿生长方向直径逐渐变细的结构特点,设计出变直径薄壁吸能管。仿真分析得出,一阶薄壁结构VD2-5的轴向比吸能和平均载荷最高,分别为30.32kJ/kg和42.32kN,比普通圆管的比吸能和平均载荷稍高;两阶薄壁结构VD3-1的轴向比吸能为25.4kJ/kg,比普通圆管提高了17.6%。分析表明,变直径结构受到轴向冲击时,上端细管会陷进下端粗管中,细管与粗管之间发生摩擦、挤压等作用,不仅能够改变薄壁结构的变形次序,而且能够增大能量吸收。根据竹青到竹黄维管束密度梯度变化,设计出径向变材料组合管。轴向冲击仿真分析得到,钢管、铝管和钢铝组合管的比吸能为10.5kJ/kg、27.6kJ/kg和12.38kJ/kg,钢铝组合管的比吸能在铝管和钢管的比吸能之间。对仿生截面2的薄壁结构进行泡沫铝填充,仿真得出添加泡沫铝的薄壁结构20B-AF的平均载荷为80kN,比无泡沫铝填充薄壁结构20B的平均载荷提高了25%;20B-AF的吸能为6.25kJ,比20B的吸能提高了26%。根据仿真结果,选择并加工了8个仿竹薄壁结构,通过落锤试验测试其轴向能量吸收,试验与仿真结果趋势一致。带节仿生试样试验表明,具有仿生截面1的3D-1系列、具有仿生截面2的3D-2和具有圆形截面的3D-03带节薄壁结构的初始峰值载荷分别为190kN、145.36kN和44.98kN,呈依次下降趋势。3D-03的吸能最大为1.5kJ,比3D-21小2.7kJ,综合考虑变形量和吸能,3D-21试样的吸能性较高,且能够节省成本。变直径试样试验表明,变直径薄壁结构的上下端厚度变化对其吸能特性的影响较大,上下端长度对其吸能特性的影响较小,且在受到轴向冲击时,发生断裂。
【关键词】：薄壁结构 仿生设计 竹结构 能量吸收 落锤试验
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB47;Q811
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 研究背景与意义11
• 1.2 国内外研究现状11-20
• 1.2.1 薄壁管国内外研究现状11-18
• 1.2.2 结构仿生学的研究现状18-19
• 1.2.3 竹材及其仿生研究现状19-20
• 1.3 课题来源与技术路线20-21
• 1.3.1 课题来源20
• 1.3.2 技术路线20-21
• 1.4 研究目的和主要内容21-23
• 1.4.1 研究目的21
• 1.4.2 主要内容21-23
• 第2章 仿竹节吸能结构优化设计与分析23-47
• 2.1 引言23
• 2.2 单竹节薄壁吸能结构设计与仿真分析23-28
• 2.2.1 单竹节薄壁结构截面23-24
• 2.2.2 单竹节薄壁结构仿生设计24-25
• 2.2.3 单竹节薄壁结构轴向吸能仿真25-27
• 2.2.4 单竹节薄壁结构横向吸能仿真27-28
• 2.3 双竹节薄壁吸能结构设计与仿真分析28-32
• 2.3.1 双竹节薄壁结构仿生设计28-29
• 2.3.2 双竹节薄壁结构轴向吸能仿真29-31
• 2.3.3 双竹节薄壁结构横向吸能仿真31-32
• 2.4 竹节结构优化设计与仿真分析32-36
• 2.4.1 竹节结构优化设计32-33
• 2.4.2 节结构对轴向吸能影响33-35
• 2.4.3 节结构对横向吸能影响35-36
• 2.5 节对薄壁圆管吸能的影响36-46
• 2.5.1 双竹节圆管吸能仿真分析36-40
• 2.5.2 三节圆管吸能仿真分析40-46
• 2.6 本章小结46-47
• 第3章 变直径仿竹吸能结构的设计与分析47-69
• 3.1 引言47
• 3.2 一阶薄壁管结构设计47-53
• 3.2.1 一阶薄壁管结构设计47-49
• 3.2.2 一阶薄壁管的仿真分析49-53
• 3.3 两阶薄壁管的结构设计与尺寸优化53-61
• 3.3.1 等长度薄壁管仿真分析54-55
• 3.3.2 等长度薄壁管尺寸优化55-61
• 3.4 吸能结构径向设计与分析61-64
• 3.4.1 组合管的结构设计61-62
• 3.4.2 组合管仿真分析62-64
• 3.5 内部填充泡沫铝材料的薄壁管仿真分析64-67
• 3.5.1 泡沫铝填充圆管的仿真验证64-66
• 3.5.2 泡沫铝填充薄壁结构仿真分析66-67
• 3.6 本章小结67-69
• 第4章 仿竹薄壁吸能结构试验研究69-81
• 4.1 引言69
• 4.2 加节仿生薄壁结构的试验研究69-74
• 4.2.1 试样制备69-70
• 4.2.2 落锤试验70-72
• 4.2.3 结果与分析72-74
• 4.3 变直径管的试验研究74-77
• 4.3.1 变直径样件的制备74-75
• 4.3.2 落锤冲击试验75-76
• 4.3.3 结果与分析76-77
• 4.4 仿真与试验对比77-78
• 4.5 本章小结78-81
• 第5章 总结与展望81-83
• 5.1 主要结论81-82
• 5.2 研究展望82-83
• 参考文献83-89
• 致谢89-91
• 导师及作者简介91

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