薄壁开孔圆管在轴向荷载作用下的理论研究

发布时间：2021-08-29 23:08

　　研究薄壁开孔圆管的轴向耐撞性有助于其在缓冲、吸能领域的广泛应用。通过分别考虑开孔区域和未开孔区域的能量吸收特征并引入材料的应变强化效应,根据塑性铰理论建立了轴向荷载下开孔圆管轴对称压溃模式的理论模型,得到了弯曲应变能、拉伸应变能、平均压溃力、比吸能的解析表达式。分析结果表明:该理论模型的预测结果与数值和实验结果相吻合;正则化平均压溃力会随半皱褶长细比的降低而显著增加;单层孔数对正则化平均压溃力的影响会随管壁厚度的增加或孔半径的减小而降低;比吸能可通过减少单层孔数或减小孔半径提高。 

【文章来源】：振动与冲击. 2020,39(02)北大核心EICSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

开孔圆管的几何模型和理论模型

使用基于时间步长的显式有限元软件ABAQUS/Explicit对薄壁开孔圆管的轴向耐撞性进行数值模拟。几何参数为L=96 mm,R/t=14.25,R/r=19.00,h/t=9.6的开孔圆管的数值模型如图 3所示。在ABAQUS中需提供材料的真实应力-应变数据[23]。因此,将试验测得的2A12铝合金工程-应力应变曲线转化为图 4所示的真实应力-应变曲线,并离散化后输入软件中。使用刚性板模拟试验机的上、下压盘。分别使用4节点线性壳单元S4R和4节点离散刚体单元R3D4对开孔圆管和刚性板进行网格划分,且将全局网格的尺寸设置为管直径的六十分之一。无需约束开孔圆管任意节点处的自由度。将下刚性板所有自由度和上刚性板除竖向平动之外的自由度完全约束。为提高求解效率,对上刚性板沿平滑幅值曲线[24]施加百分之九十管长的位移(86.4 mm),并设置加载时间为0.086 4 s(即平均加载速度为1 m/s)。对数值模型设置整体的通用接触以模拟系统各处的相互作用,摩擦因数设置为0.2[25]。 最后,使用一台配备24 核心Xeon 处理器的图形工作站对数值模型进行计算,平均计算时间约为2～3 h。图3 材料的真实应力-应变曲线

图2 开孔圆管的数值模型需要注意的是,开孔圆管数值模型的单元类型基于减缩积分理论,且对上刚性板设置的加载速度远大于实际的准静态加载。因此,可根据能量比Ekin/Eint和Eart/Eint来确定数值模型的可靠性。其中,Ekin,Eart和Eint分别为动能、伪应变能和内能。图4为图2所示数值模型的能量比。由图4(a)可知,动能与内能之比小于千分之一,充分说明该系统是准静态的;由图4(b)可知,伪应变能与内能之比小于百分之五,则可认为网格尺寸和单元选择是合理的。因此,验证了数值模型的可靠性。

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于实验和数值模拟的深度梯度刻槽管轴向耐撞性研究[J]. 姚如洋,龚立平,侯秀慧,郝文乾,张婉琪,刘海明,尹冠生.  实验力学. 2018(05)
[2]基于显式有限元的钢筋混凝土构件准静态响应分析[J]. 姚如洋,尹冠生,李轩,张婉琪,吴江龙.  应用力学学报. 2018(03)
[3]薄壁正弦波纹管在轴向载荷作用下的理论研究[J]. 郝文乾,谢佳苗,赵翔,王峰会.  振动与冲击. 2018(07)
[4]高速列车前端多胞吸能结构的耐撞性优化[J]. 张秧聪,许平,彭勇,邓雯苑,车全伟.  振动与冲击. 2017(12)
[5]受冲薄壁结构动力效应的显式有限元分析[J]. 雷正保,钟志华,李光耀,刘振闻,罗云飞.  力学学报. 2000(01)



本文编号：3371554