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薄壁管状结构因其具有高强度、高刚度、轻质量、较高的承载能力和比吸能等优良特性而在汽车、高速列车、航空航天等工业领域得到了广泛应用,在其中的一些应用领域中,薄壁方管通过轴向塑性屈曲变形吸收大量的冲击动能,从而实现有效的保护乘员和物品。但是,其轴向屈曲过程中存在着初始撞击力较高、变形稳定性较差等问题,当前主要通过引入合适的诱导结构进行解决。因此,研究含压痕的薄壁方管在轴向冲击载荷下的动态响应,为其设计和工程应用提供理论基础,该工作具有较大的科学研究意义和工程应用价值。本文以含(V)型诱导压痕的低碳钢薄壁方管为研究对象,开展了准静态和动态轴向压缩实验,并建立了数值模型且进行了计算分析,研究了薄壁方管轴向动态冲击载荷下的破坏机理,分析了压痕对薄壁方管的变形模式、动态撞击力和能量吸收能力的影响,具体内容如下:
(1)开展了薄壁方管的准静态和动态轴向压缩实验,并采用了高速摄影仪记录动态实验过程,得到了不同工况下薄壁方管的坍塌模式,分析了不同压痕位置对薄壁方管变形的影响,研究了压痕处第一个外延型褶皱的形成和发展过程以及其对薄壁方管坍塌顺序的影响。
(2)建立了不同工况下薄壁方管的数值计算模型并开展了数值计算分析,得到了各工况方管的撞击力-位移曲线和能量-位移曲线,通过与实验结果对比,验证了数值计算模型的可靠性。针对变形模式、撞击力曲线和能量曲线,分析了压痕位置对薄壁方管吸能特性的重要影响,提出了最佳的压痕位置。
(3)基于实验和数值计算,开展了含压痕薄壁方管的参量化数值计算,分析了冲击速度、管壁厚度、压痕深度和压痕数目对薄壁方管动态响应的影响。结果表明:随着冲击速度的提高,撞击力和比吸能增大,且压痕都能有效控制褶皱的形成,保持变形稳定性;随着管壁厚度的增加,单位质量吸能能力逐渐提高;随着压痕深度的增加,峰值载荷逐渐降低;随着压痕数目的增多,峰值载荷呈下降趋势,但变形后期的稳定性逐渐下降。