不同轴截面薄壁筒在轴向冲击下吸能特性研究

不同轴截面薄壁筒在轴向冲击下吸能特性研究 不同轴截面薄壁筒在轴向冲击下吸能特性 研究 第27卷第8期计算机仿真2010年8月 文章编号:1006—9348(2OLO)O8—0325—05 不同轴截面薄壁筒在轴向冲击下吸能特性研究 孟卓,孙秦 (西北工业大学航空学院,陕西西安710072) 摘要:针对目前飞行器坠撞安全性问题研究,要减缓碰撞时的冲击载荷和耗散能量,以薄壁简结构为研究对象,采用非线性 有限元理论建立计算模型,采用显式动力学算法进行数值仿真.利用非线性有限元软件ABAQUS仿真了不同轴截面的薄 壁筒在受轴向冲击下的变形,通过比较四种薄壁筒在受轴向冲击下的压溃力峰值,平均压溃力及比吸能研究其吸能特性,并 与相关的理论解进行了对比.结果明:冲击动能相同条件下,无论从比吸能方面还是从压溃力峰值方面来考虑,轴截面为 梯形的薄壁筒的吸能特性优于轴截面为矩形的薄壁筒;从乘员的安全角度考虑圆台做吸能结构吸能是方台的1.5倍,而压 溃力峰值只有方台的75.3%. 关键词:轴截面形状;薄壁筒;轴向冲击;比吸能 中图分类号:0313文献标识码:B Energy——AbsorptionCharacteristicsofThin——WalledTube SectionShapesunderAxialImpulsiveLoad withDifferentAxial—— MEN『GZhuo,SUNQin (SchoolofAeronautics,NorthwesternPolytechniealUniversity,Xi'anShanxi710072,Chin a) ABSTRACT:Aimingattherequirementsofaircraftsafety,thethin—walledtubestructureundercrushingforceis studiedinthispaper.Thefiniteelementmodelsofthin—walledtubeswithdifferentaxial— sectionshapesbetween squareandtrapezoidaresetupbasedonnonlinearfiniteelementtheory.Then,thedynamicexp licitalgorithmisa— doptedtosimulatetheimpactingprocess.Thedeformationmodesofthin— walledtubeswithdifferentaxial—section shapesunderaxialimpulsiveloadareinvestigatednumericallyusingABAQUSsoftware.Inordertostudytheenergy — absorptioncharacteristics,thepeakvalueandtheaverageofcrushingforcesofthefourtubesar ecomparedandthe energyabsorptioncapacityofthestructureisstudiedextensively.Then,thenumericalresults arecomparedwiththe theoreticresults.Theresultsshowthattheenergy— absorptioncharacteristicsofthetubeswithtrapezoidaxial—see— tionaresuperiortothatofthetubeswithrectangleaxial—section.Thespecificenergy— absorptioncapacityofcone tubeis1.5timesoffrustatube'S,whilethepeakvalueofcrushingforceis75.3percentfrustatub e'S,whichismore beneficialtothesafetyofthepassengers. KEYS:Axial—sectionshape;Thin— walledtube;Axialimpact;Specificenergyabsorptioncapacity 1引言 对于车辆,航天器等运动着的结构来说,发生碰撞,坠撞 事故或特定的冲击事件是不可避免的,这就对车辆行使安 全,航天器软着陆等提出了耐撞性要求0J,即能够在突发或 特定的碰撞事件中,依靠自身或附加装置的屈曲,断裂等破 坏形式来减缓碰撞时的冲击载荷,耗散冲击能量. 良好的吸能结构能够把碰撞动能不可逆地转换为塑性 基金项目:航空基金(N7CB0001) 收稿日期:2009—05—01修回日期:2009—07一O1 变形能.薄壁管状结构由于具有良好的吸能特性被用于吸 能装置中,其吸能特性主要依赖结构在轴向冲击下的塑性动 态屈曲力学行为'4.目前设计吸能装置时,主要考虑薄壁 金属构件,因为薄壁金属构件在受到撞击载荷的作用时,破 坏模式稳定,并且能够以可控制的方式通过自身的塑性变形 吸收和消耗能量,产生一定的压溃行程,从而达到吸收碰撞 结构的动能,降低行使减速度的目的.国内外不少学者对薄 壁壳构件进行了实验与仿真研究,大多集中在对轴截面为正 方形或矩形的薄壁壳吸能效果的研究,而对轴截面为梯形 的研究较少.本文针对民机坠撞研究中对结构耐撞性的要 .--.—— 325...—— 求,建立了具有矩形和梯形轴截面的薄壁筒的有限元模型, 对这两种轴截面形状的薄壁筒在轴向冲击载荷下的吸能特 性进行了对比,为设计更好的吸能结构提供了有益的参考. 2轴向冲击吸能特性基本理论[6] 作为主要的能量吸收部件,吸能结构通过塑性变形来耗 散碰撞动能,缓冲碰撞力以减少伤害.因此要求吸能结构具 有较高的吸能比,并且变形过程要平稳.一般地,评估吸能 结构性能的主要指标有: 1)平均压溃力和压溃力峰值F 平均压溃力反映结构整体所受的载荷水平,压溃力 峰值…反映初始过载或最大过载情况.根据N.Jone的塑 性铰理论,圆柱筒和方筒的平均压溃力的理论解分别为: 6.72RH[1+0.41([1+() … .n =———— ( … = 13.06o"0(C/H)[1+(0.33V/CD)](2) 其中R,C分别为横截面圆半径和方形的边长,H为薄壁筒的 厚度,.为材料的屈服应力,P,D为材料常数,为撞击质 量块的质量,为撞击速度. 2)总吸能E和比吸能 整个压溃变形过程吸收的能量可以通过载荷一位移历 程曲线得到: E=JFdS=F…(S6一S)=,…?f(3) 式中S,S分别为最终破坏点和起始破坏点, F为瞬时载荷;F…为平均载荷;Al为有效压溃距离. 比吸能是指结构在有效压溃距离内单位质量所吸收的 能量,是衡量材料和结构能量吸收能力的一个重要参数,可 以表示为 EF…?Z, 町L 式中,m为构件的质量. 3非线性有限元模型的建立 3.1薄壁筒的几何特性 本文所研究的薄壁筒的轴截面分别为矩形和梯形.轴 截面为矩形的薄壁筒有方筒和圆筒,轴截面为梯形的薄壁筒 有方台和圆台.薄壁筒的几何尺寸如表1所示,数值模拟的 物理模型如图1所示.筒的下底边固支,上端受质量为 300kg的刚性板撞击,撞击速度为8米/秒.薄壁筒由低碳钢 材料构成,其力学性能参数为:密度P:7.8×10kg/m,弹 性模量E=2.1GPa,屈服应力.=210MPa,泊松比v=0.3. 由表1可知,四种薄壁筒的紧致比(指薄壁壳的横截面直径 或边长与轴向长度之比)相同. --.—— 326---—— 表12种轴截面薄壁筒的尺寸 [a]轴截面为矩形的薄壁简(b)轴截面为梯形的薄壁筒 图1薄壁简的物理模型 3.2薄壁简的有限元模型 本文利用大型非线性有限元软件ABQUAS来建立有限 元模型,采用动念显式算法,选用SIR单元,沿壳的厚度方向 取5个积分点,对材料的沙漏及体积粘性控制采用软件本身 的默认值.由于低碳钢材料的动态变形受应变率的影响较 大,本模型采用Cowper—Symonds来考虑应变率的影 响:=or0[1+(/D)],其中为低炭钢的动态流动 应力,为塑性应变率,动态屈服硬化参数D=40.4s,,q=5. 刚性体与薄壁筒问的接触定义为面一面接触,在碰撞变 形的过程中薄壁筒自身的内外表面也会产生接触,取双面自 接触(self—contact)o 4数值模拟结果分析 根据式(1),(2),计算得到圆筒和方筒在轴向冲击下的 压溃力理论解分别为:pc=53.52kN,Pdm=41.93kN. 2? 180 16. l4. 堇l2. ? 80 60 40 20 0 50 图2理论解与有限元仿真解的比较 度,对于横截面为方形和圆形的薄壁筒,当其厚度及紧致比 相同时,方形截面筒的轴向刚度较大,因此方筒和方台的压 溃力峰值大于圆筒和圆台的;而在发生塑性屈曲后,压溃力 的大小主要由屈曲模式决定,一般说来方筒和方台的压溃力 小于圆筒和圆台的,图4和表2列出了本文的计算结果,也 验证了Jone理论的这一结论. 图4压溃力历程 从表2和图4可以看出,轴截面为矩形的方筒和圆筒的 压溃力峰值比对应的轴截面为梯形的方台和圆台的略高,其 中圆台的最低,约为方台压溃力峰值的75.3%.图4还表 明,随着冲击过程的进行,圆筒的压溃力出现了第二次峰值. 4.3吸能情况比较 图5为四种薄壁筒在相同冲击动能下的比吸能随时间 的变化曲线,从图中可以看出,圆筒和圆台的比吸能比方筒 和方台的大;圆筒的比吸能比圆台的略大,方筒和方台的比 吸能相当.从表2可知,圆台的比吸能是方台的1.5倍,圆 筒的比吸能约是方筒的1.6倍. 图5比吸能历程 表2四种薄壁筒的吸能特性 ...—— 328....—— 通过以上对数值模拟结果的分析对比可知,对于轴截面 不同的薄壁筒,当厚度和紧致比相同时,在相同冲击动能下, 圆筒和圆台的总吸能和比吸能较大,且圆台的压溃力峰值较 低.因此,在设计吸能结构时,在工艺,几何构形,材料等条 件允许的情况下,推荐使用圆台作为吸能结构. 5结论 本文采用数值模拟方法研究了不同轴截面的薄壁筒在 轴向冲击下的吸能特性,利用非线性有限元软件建立冲击动 力学模型,从压溃力,有效压溃距离和比吸能等方面考虑不 同薄壁筒结构的吸能特性.通过对数值仿真结果的分析,得 到如下结论: 1)利用ABAQUS非线性有限元软件,采用显式动态方法 能够很好的模拟薄壁筒的轴向冲击问题,本文通过对不同轴 截面形状的薄壁筒在轴向冲击下的动态屈曲行为的模拟,在 一 定程度上验证了Jone理论. 2)在设计吸能结构时应综合考虑比吸能和压溃力等重 要因素.从本文的计算结果来看,无论从比吸能方面还是从 压溃力峰值方面考虑,轴截面为梯形的薄壁筒作为吸能结构 较合适,尤其是圆台更具优势,在相同条件下,圆台的比吸能 是方台的1.5倍,而压溃力峰值只有方台的75.3%. 参考文献: [1]NJones.Recentstudiesonthedynamicplasticbehaviorstructures [J].Mech.Rev.1989,42(4):95—115. [2]HWSong,ZMWan,ZMXie.Axialimpactbeha~orandenergy absorptionefficiencyofcompositewrappedmetaltubes[J].Int.J. ImpactEng.,2000,24(4):385—401. [3]NJones.StructuralImpact[M].London:CambridgeUniversity Press,1989. [4]AAAAlghamdi.Collapsibleimpactenergyabsorbers:/inover- view.Thin—WalledStructures,2001,39:189—213. [5]AGMamalis,eta1.Finiteelementsimulationoftheaxialcollapse ofmetallicthin—walledtubeswithoctagonalCreSS—section[J]. Thin—walledStructures.2003.41:891—900. [6]余同希,卢国兴.材料与结构的能量吸收[M].北京:化学工 业出版社,2006. [7]诺曼.琼斯着,蒋平,译.结构冲击[M].成都:四川教育出版 社,1994. [8]Jensen,MLangseth,0SHopperstad.Experimentalinvestiga- tionsonthebehaviourofshorttolongsquarealuminiumtubessub— jeetedtoaxialloading[J].InternationalJournalofImpactEnsi— neering,2004,30:973—1003. [9]DKaragiozova,NJones.DynamicElasticplasticbucklingofcircu— larcylindricalshellsunderaxialimpact[J].Int.J.Solidsand Struct.,2000,37:2005—2034. [10]DKaragiozova,NJones.Influenceofstresswavesonthedynamic plasticanddynamicprogressivebulklingofcylindricalshellsan— deraxialimpact[J].Int.J.SolidStruct.,2001,38:6723 — 6749. [作者简介] 孟卓(1975一),女(汉族),陕西西安人,博士研 究生,主要研究领域为飞行器设计及科学与工程的 高性能计算研究. 孙秦(1956一),男(汉族),陕西省西安人,教授, 博士研究生导师,主要研究领域为飞行器设计. (上接第109页) 软输出之间的均方误差最小.这样既利用了信源的独立性, 又充分利用了已知扩频码的信息,从而提高了多用户检测器 的性能. .. eMLI l一+一MMSE1 一一ICMMSEJ-MM ,—, — , - ——— b—一DEC ———— 一— 爵一ICDEC ,'啦,, I. ,, , ,-—,,J ,-,,, - , ,卜 一 ,j一\ j\,},,, , 0一 { : 图2BPSK调制时BER性能比较 0PSKmoduIalIoff —— —一 一 _'一 , ,,: ' ' , , , , , ?_ :,— , 荽一 ?_,- , ,_ , ,,, t;: , :? :: i'哮一--~>--ML?J , +一MMSE ::一+一ICAMMSE _r —一 DEC j!一一—lCDEC ;; 图3QPSK调制时BER性能比较 5结论 本文基于传统的多用户检测算法和独立分量分析算法, 提出了MIMO—OFDM系统中两种改进的混合多用户检测 器,分别把解相关和最小均方误差检测的结果作为独立分量 分析算法的输入,提高了系统的检测性能.仿真结果表明, 在理想的信噪比条件下,两种检测器的误码性能好于传统的 检测器. 参考文献: [1JSAbedi,RTafazolli.Geneticallymodifiedmultiuserdetectionfor codedivisionmultipleaccesssystems[J].IEEEJournalonSelect- edAreasinCommunication,2002,20(2):463—473. [23HaroldArtes,DominkSeethaler,FranzHlawatseh.E~cientDe— tectionAlgorithmsforMIMOChannels:AGeometricalApproachto ApproximateMLDetection[J].IEEETransactionsonSignalPro— cessing,2003,51(11):216—228. [3]KSSchneider.Optimumdetectionofcodedivisionmultiplexed signals[J].IEEETrans.Aeros.Electron.Syst,Jan.,1979,AES 一 15(1):181—185. [4]UMadhow,MMSEInterferenceSuppressionforDS—SpreadSpec— trumCDMA[J].IEEETransonCommu1994,42(2):786—790. [5]PPate.AnalysisofaSimpleSuccessiveDS/CDMASystem[C]. IEEEJSAC,1994,12(5):796—807. [6]TYang,JYuan.PerformanceofMIMO—BICMwithparallelinter- ferencecancelleronslowfadingchannels[J].ElectronicsLetters, 2006,(26):986—990. [7]PengLiang,ShaopengFeng,Chuan—gangZhao,WeilingWu. High—throughputhigh—performanceVBLAST—OFDMviacarrier interferometry[C].IEEEInternationalConferenceonElectroIn- formationTechnology,22—25May,2005.4. [8]AJBell,TJSejnowski.AnInformation—maximizationApproach toBlindSeparationandBlindDeconvolution[J].NeuralComputa— tion,1995,7(6):1129—1159. 『9]JFCardoso.InfomaxandMaximumLikelihoodforBlindSource Separation[J].IEEESignalProcessingLetters,1997,4(4):112 一 l】4. [10]Huvarinen.AFastandrobustfixed—pointalgorithmsforinde— pendentcomponentanalysis[J].IEEETrans.NeuralNewyork, 1999,10(3):1483—1492. 一[作者简介】周德祥(1972一),男(汉族),河南信阳人,硕士,讲师,主要研究方向为 计算机应用技术.孙宜贵(1979一),男(汉族),河南商丘人,讲师,硕士,主要研究领域 为模式识别,.NET技术应用.谭玉波(1971.),男(汉族),山东潍坊人,博士,副 教授,研究方向为计算机网络技术与流媒体. ....—— 329...——