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基于薄壁梁结构的设计与建模研究

利物浦大学影响研究中心机械工程系，英国利物浦Brownlow Hill L69 3GH

F. Schneider1 , N. Jones

2008年4月22日

摘要：在最近的一些薄壁结构截面的轴向渐进式坍塌的实验和分析研究中，没有一致的分析方法可以获得用于预测不同几何形状和材料的挤压参数的可靠性，这依赖于屈服铰链模型。比较了方形和点焊的顶帽部分。出现这种情况是因为假设根据折叠结构的屈服铰链模型，顶帽和方形截面之间的等效性对于实际的结构似乎没有效果。讨论了实际结构和模型之间的一些依赖关系，尤其是对于顶帽几何。报告了有关顶帽部分点焊点的有益定位的观察结果，以及常见的建议对于最佳焊缝间距进行严格检查。模式1和2变形被识别为众所周知的准不扩展，具有矩形（芯）横截面的薄壁部分的规则（不对称）渐进折叠，例如方形和顶帽部分。变形模式的特征在于材料的向内和向外运动的不同比例折叠。指出了对崩塌稳定性和分析公式的可能影响。

关键词：耐撞性；薄壁部分；点焊顶帽部分；渐进式折叠；变形模式

1. 介绍

在本技术说明中，还有一些其他研究结果发表，实验研究期间的成果在[1]中发表，分析工作在[2]中发表，其中涉及薄壁结构中轴向变形模式的各个方面及其分析和数值造型。 特别强调点焊顶帽部分，但观察结果通过屈服铰链模型对描述薄壁截面有影响，在更一般的情况下也是如此。

以著名的亚历山大为基础的延伸提出了理论公式[3-8]，考虑应变反转时的材料行为在纯运动和纯各向同性行为之间和比例有效的破碎距离（用a形状功能）。 虽然做出了预测来自[2]的扩展理论公式得到了改进那些用[6-8]中既定公式制成的，在[1]中检查过的几何形状和材料，其表现并不完全令人满意。在破坏区域和高度吸收的能量材料在其周围的局部变形点焊是一个可能的影响因素，笔者设计了探索性实验在[9]中发表。进一步的方面在本文中讨论，主要涉及折叠模式和假设（几何）渐进在具有方形帽和顶帽结构的轴向折叠部分的等价。

除图11外，所有变形的试样均如图11所示，数据均来源于实验研究，在[1]中发表。 感兴趣的读者可参考[1]几何特征和材料的细节试样的性质及其载荷条件，因为这些细节与本论文并不特别相关。

1. 点焊与折叠模式的相互作用

可以观察到90°角单元，或基本折叠单元，是折叠的代表几种轴向压碎薄壁梁的特性结构部分^【2,7】。特别是准无差别，顶帽和双帽的不对称折叠模式部分可以从这些部分的模型中找到元素。单个基本折叠的等效侧边宽度元素由总圆周确定薄壁横截面的长度（周长）。同这个概念，在连接中传递剪切力帽部分的凸缘被认为很小，因此被忽略。假设裂片是容纳使点焊点重合连接法兰部分进行旋转，但没有弯曲变形。因此，弯曲变形这在两张纸中形成叶片时发生在连接法兰中相邻的，被认为是与独立元素相同。边界条件是所有元素都假设以共同的波长发生塑性变形。因此，点焊顶帽部分可以被简化为具有相同的等效方形截面总圆周长度模型。顶帽部分的封闭式面板，经历弯曲变形固定水平铰链线，更广泛的结合两侧看作是等效的方形截面。图1显示了部分压碎的纸张模型礼帽部分的状态和具有礼帽的方形部分等效圆周长度。类似的，a可以假设点焊双帽部分八个90°角单元或基本折叠元件具有平均边宽。

很明显，这种变形中没有点焊过程中点焊的干扰折叠，只有焊缝间距和（自然）折叠波长和谐地对应，并提供点焊与重合相邻叶片之间的界面。 [1]中的实验测试，然而，已经表明，首先是折叠波长在变形的样本中变化，特别是对于点焊的顶帽部分受到冲击载荷，开发了具有短波长的折叠靠近近端面。 在随后的过程中折叠波长逐渐增加，如图所示，例如，在图2中（也见[1]中的图22和25），可能是由于对惯性和材料应变率敏感的影响最初是较大的。 这需要可变化的焊接边长，是不实际的。

其次，焊接边相等的截面设计（平均值）的自然折叠波长没有导致a稳定压溃。 稳定性越好则好要求焊接间距更短^【1,10】。 在初次检查期间观察到了[10,11]中所发表的实验研究，其表明焊缝间距等于平均折叠波长导致的相邻的纸张分离并产生不规则的变形^{【13】【17】}。

第三，重要的是，自然折叠模式一个点焊的顶帽部分可以是焊点与褶皱峰值重合，干扰折叠的进程就是它原因的最大值，如图3所示（另见图7和图21）[1]，和[7]中的图7）。 文章[12]中的标本甚至更大，焊接边距离接近自然折叠波长。该发生连接凸缘的最大弯曲变形在褶皱的顶峰。而且，进步了相邻凹角的环形角点是这些位置受到焊点的阻碍位于角落附近。环形角点和移动的倾斜铰链线被锁定，从而导致极端局部变形（见[9]）。稳定性要求焊点位置足够靠相邻的角落，通常小于d2的距离，其中d2asymp;~（见图4和5）。因此，物理干扰不能排除。

叶片相对于焊点的定位通常从自然折叠模式中自动获得，或者它可以用触发器控制，但仅限于a有限度的情况。 CRASH CAD软件（1998年发布）建议点焊顶帽部分应该是触发^【14,15】，以便在相邻的点之间存在多排点焊发生最小弯曲变形的凸起。CRASH CAD是一种旨在支持设计的计算机代码，用于防撞的薄壁结构设计，在汽车行业等领域已广泛使用。但是，一个不符合自然模式的 触发变形在逐步崩溃期间不会保持不。不是针对焊点的最小干扰渐进式崩溃，对自由进化的克制在角落机构折叠（通过仔细定位焊点接近帽面板的90°角或减少间距）可以有意地用来增加能量吸收^【9】。必须避免可能导致点焊失败的不稳定因素^【16,18】，同时，过载可能会导致点焊失败或材料破裂。只有当理论模型中的点焊仍然存在争议时，才能容忍材料破裂的可能性。

图1.顶帽部分和（等效）方形截面。 用于常规不对称渐进折叠的纸张模型

1. 顶帽部分的折叠特征

3.1不同的兼容折叠模式

一般来说，对于所有连接部分，加入法兰必须足够宽，以容纳折叠的演变。如图4所示，屈服铰链模型证明了这一点。但是，这种措施并非是唯一的，因为礼帽部分折叠存在两种兼容的折叠模式（理论上，两者之间存在无数个中间模式）。 图中显示了这两种模式。

图2.变形后的高强度钢帽顶截面试样

冲击试验（L = 325毫米）。 试样直流10 IF（8.0 m / s，211 kg）。

礼帽部分的变形模式1对应于所熟知的非对称或常规折叠模式方管^【2】，向内和向外的不对称运动在相邻的侧壁之间发生，但是采取措施与原始未变形的几何模型相同^【4】。图5中的草图显示了截然不同的折叠形式。它们会在实际样本中出现。因此，在常规的非对称变形模式中（模式1）有d2=d3。 对于此模式，两个度量d2和d3都是与半折叠波长H直接相关，但由于有限的折叠曲率半径，它小于H。模式1中的d2的近似值是在d2asymp;和d2asymp;之间的值。侧壁的凸起折痕（或水平铰链线）的宽度与封闭板相对的d1=b1-2d3，近似地，明显小于其整体宽度，b1。相比之下，模式2的特征在于a显着更明显的向外运动横向侧壁，或d2gt;d3，如图5所示。

图3.由IFHS和MS制成的样品对比。左：标本sc 02 IF。 右：标本sc 01 MS。

两个试样L = 500毫米并装载准静态，但由不同类别的材料制成。

图4.顶帽部分的折叠模式1和2的纸张模型。 左：模式1.右：模式2。

相应地，侧壁的凸起折叠与封闭板几乎没有向外的相对运动发生。 因此，在图4的屈服铰链模型中，凸起侧壁的水平铰链线与其相对封闭板以及相邻的环形角点在试样的轴向平面内保持静止，并且d1asymp;b1。

所有横向变形集中在该侧的凹形铰链线的向内运动中壁。 相反的情况适用于横向侧壁的铰链线。

图5.顶帽部分的折叠模式1和模式2

渐进式折叠过程中不同比例的向内和向外运动研究，例如在[19-21]中有体现，圆形管以六角形模式折叠时，拉伸变形在发挥其中作用重要。 但在准非对称折叠模式中，这并不符合关于矩形几何折叠坍塌的现有观察。

模式1用于渐进折叠（点焊）顶帽部分的理论分析，这是用四个90°基本折叠单元模型模拟的在[1]中测试的所有经过点焊的礼帽部分实际上普遍存在的变形模式2。 观察的标本由低碳钢和高强度钢制成，施以准静态载荷和动态载荷。通过连接法兰及其相邻的90°变形角强加的边界条件可以为图6、图2、图7和图8出现的，特别是点焊顶帽部分产生模式2变形的现象作出解释。值得注意的是，通常情况下不会出现方形截面的渐进式坍塌过程是双重对称的，如在理想模式1中，但显示出趋势模式2。通常情况下，这种趋势仍然很小，与样品dc 40 LA的情况一样，如图2所示，在【1】中提到的这种情况还受到冲击载荷。 然而，根据模式2的明显趋势观察到图所示的类似方形截面的行为在图9和10，它是准静态加载的。 在这种情况下，可以观察到模式2变形的趋势是四个试样侧面的不同程度。另见所示的变形标本，如：在[5]的图7中，比[1]中的试样壁厚更大，或者如图1和2中所示的试样。显示了[22]的图4和5再次在[4]中的图9.4和9.11得到印证。纯模式2的行为观察到一些方形截面是由铝制成，如图11或[23]所示。因此，一个由强度引起的变形路径的​​变化最初是笔直的直线，90°角线是另一种可能的解释，尤其是应变硬化材料（角落中的材料已预应变）和挤压型材（角落材料厚度比侧壁大。）在模式2变形中，这条角线的直线段几乎可以保持笔直，并容纳在每一个二次折叠。这可能导致不同的变形考虑到预期结果基于理想的结构：壁厚均匀，且由均匀的各向同性材料制成。需要注意的是，在各个变形结构内观察到不同的折叠模式之间没有过渡，或者切换。 这适用于[1]的所有样本并得到文献证据的支持，例如：[12,22,23]。 初始变形时，无论是模式1还是2变形，通常是为一图致地再现对于a的常规渐进折叠期间的所有连续折叠结构体（见图7和11）。 不过，对某些部分而言，温和地增加或减少趋势，或远离变形模式，可以观察到如图9（c）和（d）所示现象。

还应注意，模式2折叠不会对应于不规则的兼容折叠变形模式，但[24]中定义的#39;#39;非紧凑#39;部分如[24]中的图4.9（b）或[25]中的图15。虽然两种崩溃模式都有一些相似之处，例如保持角线的直线部分发生模式2变形，如此处所述适用于满足要求的结构型材渐进式折叠。 当0:02，在考虑方形核心部分和标称尺寸时，b型材在[1]中是相当薄的，但仍然超过了关键阈值 =0.48 在[24]中已给出，虽然这是折叠兼容的常规折叠所必需的，对于两种高强度钢，一种是利润率相对较小。 在[5]中图7显示的厚壁试样为这个结论作额外的证明支撑。

图6.未变形样品和样品sc 02 IF的细节。

3.2 材料的影响

在[1]中报告的所有点焊顶帽部分都发生了具有模式2行为的变形。任何材料差异的产生了描述了模式2行为的特征参数的最小变化。比较样本sc 01时的视觉差异MS（低碳钢）到标本sc02IF（高强度钢）中，如图7或将样品dc 07 MS与样品dc 10 IF进行比较，如图8所示，变形被限制在略微大的折叠半径和稍窄的向外褶皱峰（即a这些水平铰链线的宽度减小）对应于较大的d3值和较小的d2和d1值。

尽管程度不大，变形的低碳钢试样中的S形线通常看起来更宽如图7和图8所示。在图1和图2中。这些观察结果没有必然对应于明显的差异折叠波长（在特定情况下）标本如图7和8所示。但要更圆润形成褶皱（更多的应变硬化和更厚的壁厚）低碳钢，更尖锐的褶皱形成需要（更少应变硬化和更小的壁厚）高强度钢，这与折叠半径的差异相关联，特别是滚动变形的半径。

图7.由IFHS和MS制成的样品与准静态加载的比较。左：sc 02 IF，右：样品sc 01 MS。 两个标本L = 500毫米，但由不同类别的材料制成。

图8.由IFHS和MS制成的切片样品的比较。

左：样品直流10 IF（8.0 m / s，211 kg）。 右：样品dc 07 MS（8.1 m / s，205公斤）。

两个样本L = 325毫米，但由不同类别的材料制成。

图9.准静态破碎后的样品sc 40 LA。 逆时针方向的连续侧视图

图10.样品sc 40 LA的细节。

图11.逐步折叠的铝挤压型材。

由HYDRO Aluminium Inc.分发的促销品，材料属性未知。

3.3 崩溃稳定性的可能影响

崩溃模式2降低了渐进式折叠顶帽部分的全局稳定性。轴向压缩力的作用甚至进一步向除了顶帽部分的封闭面板已经移动（或者超出），这是模式1行为的情况。通常说来，由于更大的刚度和更大数量的材料集中在法兰连接处，轴向负载在顶帽部分分布不均匀，这会引起不稳定性，导致轮廓倾向倾斜，这可能导致其全局弯曲失效。 所有[1]中经过的500毫米长的受到轴向冲击的试样，提供从渐进折叠过渡到全局弯曲变形。但是，在静态负载下结构产生逐渐折叠^【1】。

目前还不清楚是否存在简单的触发设计可以成功地稳定执行模式1变形，它是怀疑这种在逐步崩溃期间保持的强制折叠模式会是什么。严重的连续（波纹式）触发器可能提供所需的效果。但是，连续触发通常会降

资料编号：[4828]