薄壁圆柱在轴向冲击力作用下的动力学响应.pdf

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1、第25卷,第4期　　　　　　　　　中国铁道科学Vol125No142004年8月CHINARAILWAYSCIENCEAugust,2004文章编号:100124632(2004)0420018207薄壁圆柱在轴向冲击力作用下的动力学响应112刘金朝,王成国,房加志(1.铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心,北京　100081;2.中国农业大学,北京　100083)　　摘　要:利用有限元软件ABAQUS分析了钢和铝合金薄壁圆柱在轴向冲击力作用下的动力学响应。在相同的参数条件和初边值条件下,通过与相关文献的数值结果对比验证了所取参数的正确性和可靠性。讨论了不同碰撞速度,不同质量比

2、,不同边界条件对平均作用力,塑性铰的形状和个数的影响。数值实验表明,随着碰撞速度的提高,平均作用力会相应增大,撞击薄壁结构的刚性质量块和薄壁结构的质量比对平均作用力没有影响。薄壁结构吸收的能量和薄壁结构本身的几何特性和材料特性将决定变形后塑性铰的个数。　　关键词:薄壁结构;碰撞;平均作用力;塑性铰;非线性中图分类号:U270112　　文献标识码:A形状是一个非常复杂的问题,它几乎与所有相关的0　引　言因素有关。文中主要讨论变形后塑性铰的个数,它　　高速车辆大变形碰撞研究意义主要在于:当高主要由薄壁结构吸收的能量和薄壁结构本身的几何速碰撞发生时,所设计的结构应当有序地塑性屈特性和材

3、料特性所决定。曲,最大可能地减少人员伤亡。同时,它也是日益1　碰撞虚功方程及其离散形式激烈的市场竞争需要,是车辆现代化设计水平高低的一个重要尺度。在铁道车辆领域,国内外都非常文献[7]严格地证明了将接触力看成未知面[1]重视这项工作,如AAR的运输中心(TTC),英力的虚功方程:[2][3]国BRR的ORE,长春客车厂和大连铁道学院,5(δU)[4]σ:dV+ρB(δU)dV=中南工大等,均开展了这方面的工作。∫Ω5X∫Ω研究车辆大变形碰撞的方法有理论研究,实物F(δU)dV+T(δU)dS+R(δU)dS(1)∫fC实验和数值仿真3种。理论研究能抓住问题的本质Ω∫Γ∫ΓfC性的

4、东西,为实物实验和数值仿真建模提供一些方式中,Γ表示应力边界,Γ表示可能接触边界,ρ向性的建议,但相对比较粗造。实验验证是整个研表示密度,δU表示虚位移,σ表示柯西应力张量。究中不可缺少的,但是实物实验需要大量的人力,对于弹塑性问题,应力应变的增量关系式[8]物力和财力,而且危险性大。因此在实物实验之为:ep前,进行数值仿真,对于改进和优化实物实验的模dσ=Dijkldε(2)epep型具有非常重要的意义。由研究的本身性质决定,Dijkl=Dijkl-Dijkl数值仿真应成为主要的研究方法。其中弹性矩阵和塑性矩阵的一般形式是在开展整车或零部件大变形碰撞研究前,对简evDijkl=

5、2Gδikδjl+δiδjkl化模型进行研究,有利于掌握问题的一些本质性和1-v[5,6]ee规律性的方面。本文主要研究钢和铝合金薄壁pDijmn(5f/5σmn)Drskl(5f/5σrs)Dijkl=e2P圆柱的动力学性能。讨论平均作用力与速度、质量(5f/5σij)Dijkl(5f/5σkl)+(4/9)σsE比的关系,以及影响塑性铰个数的因数。(3)在轴向力作用下薄壁结构的变形过程和最后的式中,材料塑性模量可由应力对等效塑性应变变分　收稿日期:2003207230　作者简介:刘金朝(1971—),男,湖南常宁人,副研究员,博士。　基金项目:铁道科学研究院研究发展中心项目(

6、2002YF16)©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第4期　　　　　　　　　　　　　　薄壁圆柱在轴向冲击力作用下的动力学响应19Pp得到E=dσ/dε€;现时屈服应力σs和f与后继屈是静止的薄壁圆柱被一刚性质量块撞击,如图1服函数相关。(a)所示;其二是附加刚性质量块的薄壁圆柱撞击本文采用VonMises屈服准则,各向同性硬化刚性墙,如图1(b)所示。的后继屈服函数可以表示为:F(σ,k)=f-k=0(4)1212PPf=sij,k=σs(ε,εÛ)23由文献[9]可知,对于每个接触对α,

7、在局ααα部坐标系下,定义uN为法向相对位移,(λN,λT)为α法向和切向作用力,vrel,T为切向相对速度,刻画接触关系的Signorini条件和Coulomb干摩擦条件可表示为:αααPρ>0,λN=PROJR(λN-ρuN)αααPρ>0,λT=PROJC(λα)(λT-ρvrev,T)(5)Nαααα图1　碰撞模型PROJ表示正交投影,C(λN)={λTλT≤μλN,μ为摩擦系数}。以R表示整体坐标系下的作用力,它可αα　　利用有限元仿真软件ABAQUSPEXPLICIT