玻璃钢和含诱导缺陷铝合金薄壁管冲击特性的有限元分析
发布时间：2021-06-18 07:25
由于受轴向冲击的薄壁管与汽车受到正面碰撞时的吸能机理相同,且随着复合材料的广泛应用,作为具有缓冲吸能性能的玻璃钢薄壁管受到了越来越多的重视。为了减小碰撞时所造成的损失,使用具有能量吸收作用的承载结构在其变形中吸收能量是十分关键的。因此,研究玻璃钢薄壁管及铝合金薄壁管结构的缓冲吸能特性显得尤为重要。应用有限元法研究了玻璃钢薄壁管在轴向冲击载荷作用下的抗冲击性能,分析了玻璃钢薄壁管上端面中点处的位移、速度、加速度响应和薄壁管的截面形状、壁厚对其变形模式、抗冲击性能及吸能能力的影响。与实验结果进行对比后,发现两者在力-位移曲线、吸能量、比吸能方面吻合较好。通过分析不同壁厚玻璃钢薄壁管的应力-应变曲线及力-位移曲线,结果表明圆管的抗冲击性能较方管好,增加壁厚有助于提高薄壁管的吸能性。采用有限元法研究了轴向冲击加载条件下的不同截面但同周长的铝合金薄壁管,验证了有限元模型的可靠性。基于可靠的有限元模型,研究了不同截面多边形铝合金薄壁管的吸能特性,分析了含诱导缺陷正六边形铝合金薄壁管结构的几何参数对其吸能特性的影响。研究结果表明,诱导孔长度和宽度对其吸能特性有较明显的影响,合理的选择各因素能够有效的...
【文章来源】：宁波大学浙江省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
玻璃钢材料在各个领域的应用[6-7]
玻璃钢和含诱导缺陷铝合金薄壁管冲击特性的有限元分析-2-与玻璃钢材料相比，铝合金材料具有制造成本低、延展性好及稳定的塑性变形模式等优点。且随着对汽车和驾驶速度的需求不断增加，驾驶员和乘客的安全性变得越来越重要。车辆安全性能评估不仅基于包括汽车内置的电子系统、ABS系统等在发生事故之前提醒驾驶员安全驾驶的内部系统，还基于安全带、安全气囊及前端和侧面结构等在发生事故后减轻驾驶员及乘客伤害的外部系统[8]。汽车的外部系统已经逐渐受到了越来越多的重视，所以，具有吸能缓冲作用的铝合金薄壁结构就成为了研究的重点。汽车吸能盒是汽车保险杠系统中的重要零部件，也是当汽车发生碰撞时保护人员安全的重要吸能结构[9]。据相关研究表明，汽车在以48km/h的速度行驶过程中发生正面碰撞时，前纵梁吸收了约50%~70%的能量[10]。基于汽车受到正面碰撞时，通过改变截面形状或改变结构的铝合金薄壁结构作为汽车吸能盒或前纵梁的一种常用吸能结构具有很重要的研究价值。如图1.2所示。为了减小碰撞时的峰值力，有关玻璃钢材料和铝合金材料的新型结构的设计也受到了越来愈多的关注。图1.2铝合金薄壁结构在汽车中的应用[11]Fig.1.2Applicationofaluminumalloythin-walledstructureinautomobile1.2研究意义能量吸收系统主要由薄壁结构组成，薄壁结构的吸能效果直接影响到能量吸收系统的吸能能力。能量吸收系统的吸能能力的分析通常采用实验和有限元分析。采用有限元分析能够很好的描述结构能量吸收响应的过程，这对于分析吸能结构的力学性能具有重要意义。采用有限元法对玻璃钢薄壁管在轴向冲击载荷作用下的抗冲击性能进行了有限元分析，得到了玻璃钢薄壁管的动态应力-应变和力-变形曲线，与实验结果吻合较好。玻璃钢
玻璃钢和含诱导缺陷铝合金薄壁管冲击特性的有限元分析-8-点六面体线性缩减积分单元(C3D8R)，入射杆和透射杆单元数量分别为9000和5000，并对霍普金森压杆的加载端、霍普金森压杆与试件的接触部分进行网格细化，霍普金森压杆与试件的接触类型选择Surface-to-surfacecontact，为减少沙漏效应，接触算法采用罚函数法，罚函数系数取0.2，试件采用自接触，且对压杆和试件进行共轴约束，使其沿X轴方向平动。玻璃钢薄壁管模型的单元类型采用八结点四边形面内通用连续壳减缩积分(SC8R)。玻璃钢圆管、厚度为5mm的方管以及厚度为3mm的方管单元数量分别为12168、12728、11280。玻璃钢薄壁管铺层方式为[±90°]3，并定义沿壳单元厚度方向来模拟玻璃钢薄壁管铺层的角度。采用分割法对试件进行切分，并用Sweep(扫掠)划分网格，定义沿薄壁管内壁至外壁为铺层顺序。图2.1SHPB实验的有限元模型Fig.2.1FiniteelementmodelofSHPBtests表2.1玻璃钢薄壁管的尺寸参数Tab.2.1ThedimensionsparametersofGFRPthin-walledtube玻璃钢薄壁管δ/mmh/mmd/mml/mmw/mm圆管方管方管55358586060———5050—5050表2.2玻璃钢薄壁管的材料性能Tab.2.2MaterialpropertiesofGFRPthin-walledtube1/(kg·m-3)EX/GPaEY/GPaEZ/GPaGXY/GPaGXZ/GPaGYZ/GPaXYXZYZ170052.715.815.85.465.465.80.280.280.0992.3玻璃钢薄壁管冲击加载与失效判据根据实验所得入射脉冲[78]，经实验数据处理得到的系数490.56，将入射脉冲信号乘以该系数即为应力波，在入射杆端面直接加载应力波形，冲击载荷波形如图2.2所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种多层嵌套薄壁管的吸能特性仿真分析[J]. 余明阳,米彩盈. 机械强度. 2018(02)
[2]玻璃钢纤维增强塑料薄壁管抗冲击性能的实验研究[J]. 李善恩,缪馥星,周风华,杨黎明. 复合材料学报. 2018(12)
[3]铝合金薄壁多角管轴向冲击吸能特性研究[J]. 孙宏图,王健,申国哲,胡平. 机械强度. 2018(01)
[4]GFRP杆抗压应变率效应试验研究[J]. 胡瑞,汪剑辉,颜海春,林大路. 玻璃钢/复合材料. 2015(07)
[5]轴向冲击载荷下薄壁折纹管的屈曲模态与吸能[J]. 郝文乾,卢进帅,黄睿,刘志芳,王志华. 爆炸与冲击. 2015(03)
[6]引发方式、铺层对纤维增强复合材料圆柱壳吸能特性影响的冲击试验研究[J]. 王璠,何一帆,宋毅,龙翔云. 振动工程学报. 2013(01)
[7]复合材料在汽车中应用的发展趋势[J]. 冯奇,何健,万党水,凌天钧. 上海汽车. 2013(02)
[8]先进复合材料在航空航天领域的应用[J]. 朱晋生,王卓,欧峰. 新技术新工艺. 2012(10)
[9]复合材料薄壁管冲击断裂分析与吸能特性优化[J]. 李喆,孙凌玉. 复合材料学报. 2011(04)
[10]含诱导缺陷薄壁圆管耐撞性优化设计[J]. 殷之平,李玉龙,黄其青. 爆炸与冲击. 2011(04)
硕士论文
[1]复合材料圆柱壳缓冲吸能特性的力学分析[D]. 宋毅.暨南大学 2008
本文编号：3236238
【文章来源】：宁波大学浙江省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
玻璃钢材料在各个领域的应用[6-7]
玻璃钢和含诱导缺陷铝合金薄壁管冲击特性的有限元分析-2-与玻璃钢材料相比，铝合金材料具有制造成本低、延展性好及稳定的塑性变形模式等优点。且随着对汽车和驾驶速度的需求不断增加，驾驶员和乘客的安全性变得越来越重要。车辆安全性能评估不仅基于包括汽车内置的电子系统、ABS系统等在发生事故之前提醒驾驶员安全驾驶的内部系统，还基于安全带、安全气囊及前端和侧面结构等在发生事故后减轻驾驶员及乘客伤害的外部系统[8]。汽车的外部系统已经逐渐受到了越来越多的重视，所以，具有吸能缓冲作用的铝合金薄壁结构就成为了研究的重点。汽车吸能盒是汽车保险杠系统中的重要零部件，也是当汽车发生碰撞时保护人员安全的重要吸能结构[9]。据相关研究表明，汽车在以48km/h的速度行驶过程中发生正面碰撞时，前纵梁吸收了约50%~70%的能量[10]。基于汽车受到正面碰撞时，通过改变截面形状或改变结构的铝合金薄壁结构作为汽车吸能盒或前纵梁的一种常用吸能结构具有很重要的研究价值。如图1.2所示。为了减小碰撞时的峰值力，有关玻璃钢材料和铝合金材料的新型结构的设计也受到了越来愈多的关注。图1.2铝合金薄壁结构在汽车中的应用[11]Fig.1.2Applicationofaluminumalloythin-walledstructureinautomobile1.2研究意义能量吸收系统主要由薄壁结构组成，薄壁结构的吸能效果直接影响到能量吸收系统的吸能能力。能量吸收系统的吸能能力的分析通常采用实验和有限元分析。采用有限元分析能够很好的描述结构能量吸收响应的过程，这对于分析吸能结构的力学性能具有重要意义。采用有限元法对玻璃钢薄壁管在轴向冲击载荷作用下的抗冲击性能进行了有限元分析，得到了玻璃钢薄壁管的动态应力-应变和力-变形曲线，与实验结果吻合较好。玻璃钢
玻璃钢和含诱导缺陷铝合金薄壁管冲击特性的有限元分析-8-点六面体线性缩减积分单元(C3D8R)，入射杆和透射杆单元数量分别为9000和5000，并对霍普金森压杆的加载端、霍普金森压杆与试件的接触部分进行网格细化，霍普金森压杆与试件的接触类型选择Surface-to-surfacecontact，为减少沙漏效应，接触算法采用罚函数法，罚函数系数取0.2，试件采用自接触，且对压杆和试件进行共轴约束，使其沿X轴方向平动。玻璃钢薄壁管模型的单元类型采用八结点四边形面内通用连续壳减缩积分(SC8R)。玻璃钢圆管、厚度为5mm的方管以及厚度为3mm的方管单元数量分别为12168、12728、11280。玻璃钢薄壁管铺层方式为[±90°]3，并定义沿壳单元厚度方向来模拟玻璃钢薄壁管铺层的角度。采用分割法对试件进行切分，并用Sweep(扫掠)划分网格，定义沿薄壁管内壁至外壁为铺层顺序。图2.1SHPB实验的有限元模型Fig.2.1FiniteelementmodelofSHPBtests表2.1玻璃钢薄壁管的尺寸参数Tab.2.1ThedimensionsparametersofGFRPthin-walledtube玻璃钢薄壁管δ/mmh/mmd/mml/mmw/mm圆管方管方管55358586060———5050—5050表2.2玻璃钢薄壁管的材料性能Tab.2.2MaterialpropertiesofGFRPthin-walledtube1/(kg·m-3)EX/GPaEY/GPaEZ/GPaGXY/GPaGXZ/GPaGYZ/GPaXYXZYZ170052.715.815.85.465.465.80.280.280.0992.3玻璃钢薄壁管冲击加载与失效判据根据实验所得入射脉冲[78]，经实验数据处理得到的系数490.56，将入射脉冲信号乘以该系数即为应力波，在入射杆端面直接加载应力波形，冲击载荷波形如图2.2所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种多层嵌套薄壁管的吸能特性仿真分析[J]. 余明阳,米彩盈. 机械强度. 2018(02)
[2]玻璃钢纤维增强塑料薄壁管抗冲击性能的实验研究[J]. 李善恩,缪馥星,周风华,杨黎明. 复合材料学报. 2018(12)
[3]铝合金薄壁多角管轴向冲击吸能特性研究[J]. 孙宏图,王健,申国哲,胡平. 机械强度. 2018(01)
[4]GFRP杆抗压应变率效应试验研究[J]. 胡瑞,汪剑辉,颜海春,林大路. 玻璃钢/复合材料. 2015(07)
[5]轴向冲击载荷下薄壁折纹管的屈曲模态与吸能[J]. 郝文乾,卢进帅,黄睿,刘志芳,王志华. 爆炸与冲击. 2015(03)
[6]引发方式、铺层对纤维增强复合材料圆柱壳吸能特性影响的冲击试验研究[J]. 王璠,何一帆,宋毅,龙翔云. 振动工程学报. 2013(01)
[7]复合材料在汽车中应用的发展趋势[J]. 冯奇,何健,万党水,凌天钧. 上海汽车. 2013(02)
[8]先进复合材料在航空航天领域的应用[J]. 朱晋生,王卓,欧峰. 新技术新工艺. 2012(10)
[9]复合材料薄壁管冲击断裂分析与吸能特性优化[J]. 李喆,孙凌玉. 复合材料学报. 2011(04)
[10]含诱导缺陷薄壁圆管耐撞性优化设计[J]. 殷之平,李玉龙,黄其青. 爆炸与冲击. 2011(04)
硕士论文
[1]复合材料圆柱壳缓冲吸能特性的力学分析[D]. 宋毅.暨南大学 2008
本文编号：3236238
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