金属管径向冲击数值模拟与吸能特性研究

论文摘要

随着汽车工业的发展,汽车与防护栏碰撞事故也在逐年增加,金属管以其优越的吸能性越来越广泛的运用于道路,桥梁防护栏等安全防护设施中,汽车与防护栏的碰撞实际是汽车与护栏上金属管的碰撞,因此研究金属管在径向冲击下的变形和吸能模式,对优化防护栏的结构,提高防护栏的安全性能,减小乘员在事故中的损伤有着重要意义。本文根据非线性碰撞中出现的大变形、大位移等特点,利用ANSYS／LS-DYNA软件建立了碰撞的有限元模型,对影响模拟精度的摩擦系数、时间步长与沙漏控制进行了定义,并采用适当的加载和边界约束条件对金属管在径向冲击下的变形进行了模拟。主要分析了不同参数的金属管在受到径向冲击作用下的变形状况和吸能模式,得到了不同圆管参数（径厚比D/t、长径比L／D、受冲击位置）对其吸能性和冲击反力的影响；研究了几何等效方管受径向冲击时的能量吸收特点,比较了几何等效金属圆管与方管吸能特性。通过研究圆管径厚比D/t,长径比L／D以及受冲击位置等对其能量的吸收和冲击反力的影响,得到了圆管的径厚比越大,长径比越小,冲击位置越靠近管两端,产生冲击反力越大,圆管变形越剧烈,吸收能量越快。在安全结构件的设计中,应尽量予以控制,降低其危害。通过对比研究几何等效的方管和圆管的径向冲击特性,结果表明,在相同冲击和约束条件下,方管的能量吸收性能要优于圆管,主要表现为方管能在更短时间内将冲击物体的动能减小为零,并且其冲击反力的峰值也较圆管低。因此,方管在受到径向冲击时具有更好的吸能特性,更能保障发生碰撞车辆的安全,是一种理想的结构件,在受径向冲击的结构件设计中应充分应用。金属圆管和方形截面管在受到径向冲击时都具有较好的吸能性,金属圆管的几何尺寸对其吸能性和冲击反力有较大的影响；几何等效的方管吸能性优与金属圆管。因而,在受径向冲击的管吸能结构应用中,对于相同材料的管结构,应优先选用方形截面管,在防护栏的实际应用中,应根据实际需要,选用更加合理的金属管件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题研究方法
• 1.3.1 试验法
• 1.3.2 计算机仿真法
• 1.3.3 两种方法的比较
• 1.4 本课题主要研究目的和意义
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究意义
• 1.5 本课题的主要研究内容和技术路线
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 技术路线
• 第二章 冲击过程中的大变形理论
• 2.1 有限元基本理论
• 2.1.1 应力应变状态
• 2.1.2 屈服准则
• 2.1.3 弹塑性本构矩阵
• 2.2 碰撞有限元理论
• 2.2.1 大变形基本理论
• 2.2.2 非线性理论
• 2.2.3 碰撞动力学方程
• 2.2.4 接触的数值计算方法
• 2.3 本章小结
• 第三章 金属圆管径向冲击的显式动力有限元模型
• 3.1 引言
• 3.2 碰撞系统有限元模型的建立
• 3.3 仿真条件的设定
• 3.3.1 材料模型
• 3.3.2 摩擦系数的定义
• 3.3.3 时间步长控制
• 3.3.4 沙漏的控制
• 3.4 本章小结
• 第四章 金属圆管径向冲击仿真与结果分析
• 4.1 引言
• 4.2 仿真软件LS-DYNA介绍
• 4.3 圆管径向冲击仿真
• 4.3.1 圆管径向冲击理论
• 4.3.2 有限元模拟结果和能量变化分析
• 4.4 圆管参数对能量吸收的影响
• 4.4.1 径厚比的影响
• 4.4.2 长径比的影响
• 4.4.3 冲击位置的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 金属圆管和方管的径向冲击比较研究
• 5.1 几何等效
• 5.2 有限元模型的建立与仿真
• 5.3 仿真结果分析
• 5.3.1 能量曲线分析
• 5.3.2 冲击反力分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文