仿竹结构薄壁管设计及其吸能特性研究pptx.pptx

仿竹结构薄壁管设计及其吸能特性研究薄壁管不仅是车辆、航天器、武器和飞机等的主要结构,也是重要的能量吸收元件,随着轻量化设计的增多和安全性能要求的提高,在保障薄壁管强度和刚度的条件下,提高其能量吸收性能面临着理论、方法和技术上的挑战。本研究通过结构仿生原理将竹结构应用到薄壁管的结构设计中,进而提高其能量吸收特性。
根据竹节沿生长方向梯度分布的结构特点,设计了具有仿生截面和竹节的吸能结构。轴向冲击仿真得出,无节仿生吸能结构10B的比吸能为34.35kJ/kg,较普通圆管提高了61.4%;单节仿生吸能结构11YP的比吸能为32.5kJ/kg,较普通圆管提高了52.7%;双节仿生吸能结构12YP的比吸能为28.55kJ/kg,较普通圆管提高了23.68%。
横向冲击仿真得出,10B的比吸能为3.37kJ/kg,较普通圆管提高了1.26倍;11YP的比吸能为3.72kJ/kg,较普通圆管提高了1.49倍;12YP的比吸能为6.82kJ/kg,较普通圆管提高了2.69倍。分析得出,由于金属与竹材的材料差异,节结构不能提高金属薄壁结构的轴向吸能,但加―节‖能提高轴向冲击下的载荷稳定性,且节结构能明显提高横向载荷和吸能。
根据竹材沿生长方向直径逐渐变细的结构特点,设计出变直径薄壁吸能管。仿真分析得出,一阶薄壁结构VD2-5的轴向比吸能和平均载荷最高,分别为30.32kJ/kg和42.32kN,比普通圆管的比吸能和平均载荷稍高;两阶薄壁结构VD3-1的轴向比吸能为25.4kJ/kg,比普通圆管提高了17.6%。
分析表明,变直径结构受到轴向冲击时,上端细管会陷进下端粗管中,细管与粗管之间发生摩擦、挤压等作用,不仅能够改变薄壁结构的变形次序,而且能够增大能量吸收。根据竹青到竹黄维管束密度梯度变化,设计出径向变材料组合管。
轴向冲击仿真分析得到,钢管、铝管和钢铝组合管的比吸能为10.5kJ/kg、27.6kJ/kg和12.38kJ/kg,钢铝组合管的比吸能在铝管和钢管的比吸能之间。对仿生截面2的薄壁结构进行泡沫铝填充,仿真得出添加泡沫铝的薄壁结构20B-AF的平均载荷为80kN,比无泡沫铝填充薄壁结构20B的平均载荷提高了25%;20B-AF的吸能为6.25kJ,比20B的吸能提高了26%。
根据仿真结果,选择并加工了8个仿竹薄壁结构,通过落锤试验测试其轴向能量吸收,试验与仿真结果趋势一致。带节仿生试样试验表明,具有仿生截面1的3D-1系列、具有仿生截面2的3D-2和具有圆形截面的3D-03带节薄壁结构的初始峰值载荷分别为190kN、145.36kN和44.98kN,呈依次下降趋势。
3D-03的吸能最大为1.5kJ,比3D-21小2.7kJ,综合考虑变形量和吸能,3D-21试样的吸能性较高,且能够节省成本。变直径试样试验表明,变直径薄壁结构的上下端厚度变化对其吸能特性的影响较大,上下端长度对其吸能特性的影响较小,且在受到轴向冲击时,发生断裂。