[发明专利]一种轴对称变形薄壁圆管吸能装置的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种吸能装置的设计方法，尤其涉及一种轴对称变形薄壁圆管吸能装置的设计方法，用于车辆碰撞实验研究和抗爆结构设计等领域。

背景技术

薄壁圆管的大变形和吸能分析是从车辆耐撞性实验研究和抗爆结构设计等工程实际中提出来的。大量实验研究表明，设计合理的吸能系统不仅能有效吸收碰撞或爆炸产生的动能，而且能根据设计要求控制传递的载荷，确保结构的安全可靠。

近10多年来抗撞击车辆的设计研究己成为许多国家在铁路机车车辆、城市轨道车辆（地铁、轻轨车辆）的结构设计中的重要课题之一，通过提高客室的抗撞击性，在车体的特定部位设置碰撞能量吸收装置和防爬装置，达到发生意外碰撞时能吸收大部分碰撞动能和防止车辆交叠的目的，从而最大限度地减少人员伤亡和财产损失。车钩缓冲装置作为吸能结构，在整辆列车碰撞中起着重要的作用，压溃管作为车钩缓冲装置的主要吸能元件，其结构即薄壁圆管。列车在运行或者连挂过程中，在非正常状况下，车钩缓冲装置受到的纵向载荷超过压溃管触发力时，压溃管按照设计的变形模式，开始产生屈服扩张，以稳定的阻抗力发生塑性变形，最大限度吸收冲击能量。

薄壁圆管作为一种耐撞吸能结构，其本质是一类可压缩结构。可压缩结构是利用自身的不可逆破坏有效地耗散冲击能量的耐撞吸能结构的总称。可压缩结构缓冲技术已在航空航天工程中被普遍采用。薄壁圆管由于具有重量轻，吸能效率高，平稳可靠的缓冲特性，安装/替换灵活方便等优点，在航天工程中正越来越受到重视，并渐渐被应用到许多航天工程的缓冲系统。

在国防建设中，针对现代迅速发展的高强度、大当量爆炸产生的爆炸冲击载荷，采用过去的高强度、高刚度的纯刚性设计概念进行防护工程结构件设计，难以满足某些机动性和安全性同时达到技术指标的要求。一种引入缓冲、吸能机理的半刚性设计概念出现在现代防护工程设计中。在这一新概念的引导下，基于钢管在高速动力载荷下的流动性（屈曲发展）和吸能特性，针对爆炸载荷的爆炸效应，钢管开始被应用于军事防护工程设施。

薄壁圆管结构在压缩/冲击载荷作用下呈现很高的吸能效率，但由于其材料、结构范围广泛，受力条件及其损伤、破坏过程复杂，至今对其规律认识远不充分。薄壁圆管缓冲吸能特性及其应用研究越来越受到理论和工程界的重视。对于薄壁圆管大变形模式的研究，国内外一些力学界和工程界专家做了大量的实验，在动态试验下，薄壁圆管先出现轴对称变形模式，继而转化为非轴对称变形模式。转化的机理现在还不甚明了，只知道对于这类尺寸的薄壁圆管，两种模式所要求的撞击力相差甚微，因而两种模式都可能被激发。

综上所述，目前尚未出现一套完整精确的理论模型对薄壁圆管吸能装置在吸能过程中的作用机理进行阐释，在薄壁圆管吸能装置的设计中缺乏理论指导，需要进行大量的实验，时间和金钱的耗费巨大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，对薄壁圆管吸能装置轴向动力屈曲的作用机理进行深入分析和研究，建立科学准确的数学模型，提供一种轴对称变形薄壁圆管吸能装置的设计方法，具有可靠的精度，对实验依赖小，可节省大量的人力、财力和时间。

具体而言，本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种轴对称变形薄壁圆管吸能装置的设计方法，该方法利用以下数学模型确定所述薄壁圆管吸能装置的材料及几何尺寸，

   ，

式中，为薄壁圆管接触面上的平均撞击力；为薄壁圆管的中径；为薄壁圆管的壁厚；、是薄壁圆管所使用材料的材料常数； 为材料的静态屈服应力；为叠缩最大塑性应变时的应力，可近似取静态强度极限；为撞击时的接近速度；、分别为薄壁圆管中塑性纵波、塑性横波的传播速度；为薄壁圆管所使用材料的材料密度；为薄壁圆管的横截面面积；为塑性应力应变曲线上应变处的斜率；

设计时，塑性横波和纵波的传播速度要协调，即：在由C₁所决定的一个叠缩的完成时间内，由C₂所决定的塑性横波的传播距离为屈曲波的半波长。

进一步地，该方法还包括利用下述三种方法中的至少一种对所述薄壁圆管吸能装置的弯曲刚度进行增强：

1）减小所述薄壁圆管的管长；

2）在所述薄壁圆管轴向上增设活动支承；

3）在所述薄壁圆管径向增设加强筋。

优选地，所述在薄壁圆管轴向上增设活动支承，具体是指在薄壁圆管轴向上增设至少一个与其串联的薄壁圆管。