[发明专利]对称模式下两种常用钢矩形截面薄壁梁压溃力分析方法

说明书

本发明提供一种对称模式下两种常用钢矩形截面薄壁梁压溃力分析方法，第一步、推导对称变形模式下由同种材料、同种厚度的钢板构成的矩形截面薄壁梁的平均压溃反力表达式；第二步、推导由两种材料不同且厚度也不同的钢板、由两种材料不同但是厚度相同的钢板以及由两种材料相同但是厚度不同的钢板构成的矩形截面薄壁梁分别在两种混合形式下的平均压溃反力表达式；并且对第二步求得的三种情况的平均压溃力表达式进行工程化近似；本方法在仅有尺寸参数及材料特性条件下对两种常用钢混合矩形截面薄壁梁的压溃性能进行准确预测分析，可实现对薄壁梁结构的正向设计，大大减少仿真试错及实验次数，缩短开发周期，降低设计成本。

技术领域

本发明涉及汽车被动安全性研究领域，涉及一种对称模式下两种常用钢矩形截面薄壁梁压溃力分析方法，具体涉及一种对由两种材料不同且厚度也不同的钢板、由两种材料不同但是厚度相同的钢板以及由两种材料相同但是厚度不同的钢板焊接而成的矩形截面薄壁梁的压溃力进行分析的方法。

背景技术

薄壁梁结构是汽车、船舶、航空和航天等领域常见的吸能部件，其轴向压溃变形稳定、吸能显著，是抗撞性研究的重要课题。现阶段薄壁梁的抗撞性设计通常采用实验和有限元分析相结合的方法。即采用大变形非线性有限元软件进行仿真计算及结构优化设计，并最终通过实验进行验证。但在设计早期由于方案的频繁更换，使得有限元计算相当耗时。相对于有限元仿真和试验，薄壁梁碰撞理论基于力学原理建立结构变形和吸能机制的理论模型，得到薄壁梁力学特性与其截面尺寸、厚度、材料之间的理论表达式，能够快速获得其碰撞性能和轻量化效果。在车辆抗撞性概念设计阶段利用薄壁梁碰撞理论在计算机仿真之前确定出子结构截面和材料等参数的设计范围，能够为子结构的详细设计提供指导，实现对车身前端子结构抗撞性和轻量化的快速设计及性能控制。

愈发严苛的法规约束与消费者日益增强的安全观念对汽车抗撞性提出了更高的碰撞性能与轻量化的要求，矩形截面薄壁梁由于其轴向变形稳定、吸能显著等优点已经在汽车、船舶、航空和航天等领域被广泛应用。

另一方面，在车身结构中，由于对性能、材料的要求和限制，通常一个结构是由两种材料不同且厚度也不同的钢板、由两种材料不同但是厚度相同的钢板以及由两种材料相同但是厚度不同的钢板焊接而成的薄壁梁。而表征车身结构薄壁梁在轴向载荷作用下性能的重要参数一般采用平均压溃反力与压溃反力第一峰值力。第一峰值力的大小表示碰撞对象所经历的最大减速度，理想的压溃反力峰值力应当接近平均压溃反力，在实际设计生产中往往通过触发或诱导机构来降低峰值力水平，使其接近平均压溃反力。因此，平均压溃反力可以作为表征车身结构薄壁梁在轴向载荷作用下压溃性能的唯一指标。通过国内外相关文献检索，未发现有类似由两种材料不同且厚度也不同的钢板、由两种材料不同但是厚度相同的钢板以及由两种材料相同但是厚度不同的钢板焊接而成的矩形截面薄壁梁压溃性能分析方法。

发明内容

本发明为了解决车身抗撞性概念设计阶段由于缺乏详细结构的几何模型而无法使用有限元方法或试验方法进行薄壁梁压溃性能分析的问题，提出了一种对称模式下两种常用钢矩形截面薄壁梁压溃力分析方法，在仅有尺寸参数及材料特性条件下对由两种材料不同且厚度也不同的钢板、由两种材料不同但是厚度相同的钢板以及由两种材料相同但是厚度不同的钢板焊接而成的矩形截面薄壁梁的压溃性能进行分析。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：

对称模式下两种常用钢矩形截面薄壁梁压溃力分析方法，其特征在于，所述的对称模式，即矩形截面薄壁梁的截面平均宽度和截面平均厚度之比在40到60之间时的矩形截面薄壁梁的变形模式，本方法的具体步骤如下：

第一步、推导对称变形模式下由同种材料、同种厚度的钢板构成的矩形截面薄壁梁的平均压溃反力表达式的具体步骤如下：

1)推导对称变形模式下由同种材料、同种厚度的钢板构成的矩形截面薄壁梁受轴向力作用时其超折叠单元能量耗散的表达式：