薄壁元件轴向吸能特性研究

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1、薄壁元件轴向吸能特性研究伴随科技发展，很多重要结构对缓冲吸能元件提出了更高的要求。薄壁结构是一种被广泛采用的吸能元件，很多学者也对不同形状及参数的薄壁结构进行了广泛的研究。作为初学者，我首先学习利用ABAQUS软件对薄壁矩形筒及薄壁圆柱筒的缓冲吸能能力进行比较研究。在碰撞发牛时，吸能元件的能量吸收主要体现为金属材料的塑性变形以及复合材料等的脆性断裂。我在学习时采用金属材料进行模拟，所以对其吸能能力主要以塑性变形进行考量。1•矩形筒建模参考《基于ABAQUS的有限元分析和应用》十二章中筒的挤压数据，建立如下有限元模型。图1装配模型筒一端自由，另一端与

2、钢板相连。碰撞吋，筒与相连钢板以8.9408m/s的初速度撞向另一钢板，观察筒对耗散动能的吸收能力。进行筒的挤压分析之前，需耍确立缺陷因子。总体来说，建立初始缺陷有三种方式。第一，基于特征模态定义缺陷。第二，基于静力分析定义缺陷。第三，直接定义缺陷。木模型采用第一种方式，首先对筒进行屈曲分析，得到筒的前10阶特征模态。模型釆用的材料性质为：E=207Gpa,v=0.3,p=7800kg/m3,材料的塑性数据如下表1所示。刚性钢板的质量为500kgo表1塑性数据屈服应力/Mpa塑性应变158.70.000163.10.015186.30.033193

3、.20.044202.00.062207.01.5002•矩形筒的挤压数据后处理对筒分别划分1024、3192、6400、10000个网格进行仿真分析，得到塑性耗散ALLPD如下图2所示。数据对比见表2。由表可见，划分10000网格与6400网格之间误差在3%,接受数据结果为可信。[xl.E3]TimeQd-HVMPM山图2不同网格数目模型塑性耗散对比图表2不同网格模型塑性耗散数据对比网格数目ALLPD/J误差1024351760.3%3192253215.4%640022683%100002194筒在挤压后，挤压变形形式如图3所示。图3矩形桶挤压

4、变形采用划分10000个网格模型进行数据分析，如图4所示。得到筒的动能耗散ALLKE为3680J,其中有2214J的能量以塑性变形的形式耗散。同时，为了进一步考察计算结果的可信性，得到内能变化ALLIE为2691J,伪应变能ALLAE为460J,占ALLIE的17%。工程计算一般接受5%~10%的标准，对于此模型还需进一步改进。在这里姑且接受这一结果作为近似处理。[xl.E3]20.15.ALLAEWholeModelALLIEWholeModelALLKEWholeModelALLPDWholeModel10.••••••0.0000.0050.

5、0100.0150.0200.0250.030Time图4矩形筒能量数据图3•圆柱筒的挤压分析甲等高等质量圆柱筒，采用相同材料数据，对模型进行挤压分析。装配图如5所示。图5圆柱筒装配图边界条件、施加载荷与矩形筒完全相同，划分6400网格吋，得能量数据如图6所示。[X1.E3]20.0.0.0000.0050.0100.0150.0200.0250.030Time15.O51APCDU山此时动能耗散为4786J,其中塑性变形所耗散的能量为3971J,占动能损失的83%。与划相同数目网格的矩形桶相比，吸收冲击能量的能力有所提高。具体数字见表3。表3矩形

6、桶与圆柱筒吸能比较ALLKE/JALLPD/JALLPD/ALLKE矩形桶2820227580.7%圆柱筒4786397183%4•下一步工作1）分析伪应变能在细化网格后依然较高的原因，对网格及模型进行改进，使结果更为可信2）增加对比模型，如采用不同截面与壁厚等，分析影响吸能特性的因素。3）考察吸能稳定性。4）加强理论学习，加深对屈曲问题的认识。