日字形和目字形管弯曲失稳实验及理论研究

论文摘要

薄壁管件作为能量吸收结构被广泛应用于汽车、航空航天等领域。伴随着材料发生大变形和塑性应变,这些薄壁管件在碰撞过程中通常会在局部区域发生失稳（包括轴向压溃和弯曲失稳两种形式）,不同的截面形状导致其承载能力也有很大差别。一般来说,可以通过数值模拟和实验来较为准确地预测这些薄壁管件的失稳特性。但是由于这两种方法费时费力,不能满足产品在概念设计阶段的需求,因此需要一种高效的理论分析方法来预测各种截面薄壁管件的失稳特性。一方面,国内外研究者对各种截面薄壁管件的轴向压溃和纯弯曲失稳特性进行了大量细致的研究,这些理论结果可以方便的用于复杂结构的碰撞分析,极大地提高建模和计算效率。另一方面,缺乏对于多腔室截面薄壁管件弯曲失稳特性的研究,尤其是相关的实验研究。本文在实验研究和理论分析的基础上,提出了一种高效的日字形和目字形管弯曲失稳特性分析方法。实验方面,首先通过三点弯曲实验研究日字形和目字形铝管弯曲失稳过程中的变形规律,把握变形的主要特征,在此基础上简化变形模式,得到铝管弯曲失稳的理论模型。这本质上是构造了一族描述梁弯曲失稳的运动许可的位移场,之所以说是一族位移场,是因为位移场中有未确定的参数（半褶皱长和滚动半径）。由于管件的弯曲失稳集中在较小的局部区域,可以认为弯曲过程中产生的材料变形能完全集中在局部的塑性铰线和环形面处,进一步根据机械能守恒原理就可以得到管件弯曲失稳过程中位移-载荷的理论公式。根据塑性结构极限分析中的上界定理,人为构造的一族位移场中有一个位移场,其对应的极限载荷取最小值,根据这个条件可以确定位移场的待定参数（半褶皱长和滚动半径）,即从一族位移场中选出某种意义上最接近真实情况的一个。通过单向拉伸试验确定材料最大名义应力之后,将位移-载荷的理论公式与实验数据比较,验证了理论的有效性。但是,根据实验规律抽象出的位移场并不能描述日字形和目字形管在失稳初始时刻的变形,要得到管件失稳初始时刻的弯矩,必须进行应力分析。根据受压薄板屈曲理论,本文又推导了日字形和目字形管的初始失稳弯矩,结合前面的位移分析,就得到了管件弯曲失稳过程中的截面弯矩-截面塑性转角理论关系（即弯曲失稳特性）。然后,将理论分析结果分别与实验结果、数值模拟结果比较,验证了本文提出的分析方法的有效性。在应用方面,开发了一款日字形和目字形管弯曲失稳特性分析软件。用户只需输入截面的几何参数和材料参数,就能得到特定截面的弯矩-塑性转角曲线。另外,利用梁单元和塑性铰建立了曲梁和车身前端结构碰撞的简化有限元模型,在简化模型中,将截面的弯矩-塑性转角曲线赋予塑性铰,用于模拟结构在碰撞过程中的弯曲特性。与详细模型相比,简化模型的精度达到80%,计算效率提高了99%,对于车身在概念设计阶段的抗撞性分析有重要意义。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 黄科

导师: 左文杰

关键词: 日字形管,目字形管,弯曲失稳,软件开发,简化模型,抗撞性分析

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 吉林大学

分类号: O341

总页数: 83

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