诱导薄壁管件吸能的主动控制方法技术

本发明专利技术涉及结构模态分析技术领域，公开了一种诱导薄壁管件吸能的主动控制方法，以提高吸能结构的吸能能力并确保稳定的变形模式。本发明专利技术方法包括：获取待分析的薄壁方管的结构参数；根据结构参数预测薄壁方管的在冲击荷载作用下的叠缩屈曲皱褶个数、并计算薄壁方管发生叠缩变形的平均力、有效塑形铰半波长度和原始吸能量；建立薄壁方管的有限元模型，对薄壁方管进行有限元模态分析，并根据增设隔板数量与预期吸能之间的收敛公式确定增设隔板的数量；然后将所增设的隔板分别设置在所选择的高阶正弦屈曲模态的振型图的相应振型节点处；对增设隔板后的改进结构，建立方管撞击动力学仿真计算力学模型，进行仿真分析，比较优化前后的吸能特性。

Active control method for inducing energy absorption of thin-walled tube

The invention relates to the technical field of structural modal analysis, and discloses an active control method for inducing energy absorption of thin-walled tube parts, so as to improve the energy absorbing ability of energy absorbing structure and ensure stable deformation mode. The method of the invention includes: to obtain structural parameters of thin walled tube to be analyzed; according to the prediction of structure parameters of thin walled tube under impact load of telescopic buckling folds number, and calculate the average stress, thin walled tube folding deformation effective plastic hinge half wave length and the initial energy absorption; establish a finite element model of thin walled tube the finite element modal analysis of thin walled tube, and a baffle plate according to the quantity and the expected convergence between the absorbing formula can determine the number of additional partitions; then the corresponding node vibration map added baffle are respectively arranged in the high order sine buckling mode selected by the improvement of the structure after adding clapboard; the establishment of square impact dynamics simulation computational mechanics model, simulation analysis, optimization of energy absorption characteristics before and after comparison.

【技术实现步骤摘要】
诱导薄壁管件吸能的主动控制方法
本专利技术涉及结构模态分析
，尤其涉及一种诱导薄壁管件吸能的主动控制方法。
技术介绍
交通碰撞事故严重威胁人们的生命财产安全，采用缓冲吸能装置进行碰撞被动安全防护成为重要举措，金属薄壁管件在轴向压缩下产生屈曲变形吸收冲击动能被广泛应用于吸能装置中。但薄壁管件的变形模式受结构的几何尺寸、初始条件、边界条件、材料特性的影响，变形模式的产生存在随机性，在不同速度条件下，同一薄壁方管可能产生紧凑模式或非紧凑模式。因此，为优化薄壁方管的吸能特性，通过预制裂纹沟槽、预设横隔板等局部附加结构等诱导结构。实际上，每种结构有自己的固有频率和振型。藉此，本专利技术借鉴结构模态分析技术，得到结构不同阶次的轴向正弦屈曲振型，在振型节点处加隔板，约束振型节点的位移，固定塑性铰产生的位置，诱导薄壁方管结构朝该振型的屈曲模式发展。为增大结构的吸能量，通过激发结构的高阶正弦屈曲模态有效地诱导结构朝吸能能量增大、变形稳定的趋势发展。既可以提高设计效率，也能最大限度提高吸能结构的吸能能力和稳定的变形模式。
技术实现思路
本专利技术目的在于公开一种诱导薄壁管件吸能的主动控制方法，以提高吸能结构的吸能能力并确保稳定的变形模式。为实现上述目的，本专利技术公开了一种诱导薄壁管件吸能的主动控制方法，包括：第一步、获取待分析的薄壁方管的结构参数；所述结构参数包括边长为b，壁厚为t，总长为L；第二步、根据所述结构参数预测所述薄壁方管的在冲击荷载作用下的叠缩屈曲皱褶个数N1、并计算所述薄壁方管发生叠缩变形的平均力Fm、有效塑形铰半波长度H和原始吸能量E1；第三步、建立所述薄壁方管的有限元模型，对所述薄壁方管进行有限元模态分析，选择轴向阶次振型图显示的皱褶个数大于N1的高阶正弦屈曲模态；然后根据增设隔板数量N2与吸能E2之间的收敛公式确定增设隔板的数量；然后将所增设的隔板分别设置在所选择的高阶正弦屈曲模态的振型图的相应振型节点处；其中，所述增设隔板数量N2与吸能E2之间的收敛公式为：其中，δe为皱褶压缩率；第四步、对增设隔板后的改进结构，建立方管撞击动力学仿真计算力学模型，进行仿真分析，比较优化前后的吸能特性。可选地，上述第二步的相关计算公式包括：Fm/M0＝52.22(b/t)1/3；M0＝σ0t2/4；N1＝L/(2H)；E1＝FmHδeN1；其中，σy为屈服强度，σu为极限强度，n为强化指数。依托本专利技术方案，可在轴向针对振型结果展示出的刚度分布情况，在刚度较大区域通过增加内部横隔板或外部加强筋约束加强结构刚度，在刚度较弱区域通过开孔或预制压痕约束减弱结构刚度。藉此，本专利技术的改进结构，其隔板通常是不均匀分布的，而且在薄壁方管的冲击端还会存在有半波。另一方面，当在对所述薄壁方管进行有限元模态分析时，横向选用一阶振型图。本专利技术中，进一步地，当在比较增设隔板后的吸能特性近似的两种改进结构时，在上述方管撞击动力学仿真计算力学模型中改变撞击速度，以速度影响小的改进结构作为最终的吸能结构。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术利用结构模态分析，得到结构的高阶轴向正弦屈曲模态振形，通过在屈曲振型节点位置处设置约束隔板，减小单个塑性铰长度，增加塑性铰的个数，提高冲击平均力，从而最大幅度提高结构的能量吸收能力。通过本专利技术科学合理地确定隔板数量，大幅提高了吸能结构的吸能能力并确保稳定的变形模式，使得诱导的吸能结构具有：不可逆塑性变形，缓冲作用力恒定，变形行程长，稳定的和可重复性的变形模式；而且速度影响小，保证吸能结构在不同工作载荷条件下的可靠性和能量吸收能力。作为本专利技术方案的延升，上述方法的薄壁方管可被替换为矩管或锥管。另一方面，通过本专利技术方法可快速有效地确定诱导结构的位置，提高设计效率。下面将参照附图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术实施例的隔板不均匀设置示意图；图2为本专利技术实施例实验的无隔板方管最终变形模式图；图3为本专利技术实施例实验的有隔板方管最终变形模式图；图4为本专利技术实施例实验的无隔板矩管最终变形模式图；图5为本专利技术实施例实验的有隔板矩管最终变形模式图；图6为本专利技术实施例实验的无隔板锥管最终变形模式图；图7为本专利技术实施例实验的有隔板锥管最终变形模式图；图8为本专利技术实施例的隔板数量与预期吸能之间的收敛关系示意图；图9为本专利技术实施例的某薄壁结构轴向第60阶模态分析振型图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明，但是本专利技术可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。实施例1本实施例公开一种诱导薄壁管件吸能的主动控制方法，以利用结构模态分析，得到结构的高阶轴向正弦屈曲模态振形，通过在屈曲振型节点位置处设置约束隔板(且具体设置时，一个振型节点有且仅有一个隔板)，减小单个塑性铰长度，增加塑性铰的个数，提高冲击平均力，从而最大幅度提高结构的能量吸收能力以薄壁方管为例，本实施例方法具体包括：第一步、获取待分析的薄壁方管的结构参数；结构参数包括边长为b，壁厚为t，总长为L。第二步、根据结构参数预测薄壁方管的在冲击荷载作用下的叠缩屈曲皱褶个数N1、并计算薄壁方管发生叠缩变形的平均力Fm、有效塑形铰半波长度H和原始吸能量E1。该步骤可依据(AbramowiczandJones提出的)理想弹塑性方管理论预测方法，计算薄壁管件结构在冲击荷载作用下发生叠缩变形的平均力Fm和有效塑形铰半波长度H，从而得到叠缩屈曲皱褶个数N，结合皱褶压缩率δe(AbramowiczandJones提出)预测薄壁管件结构的吸能能量。相关计算公式包括：Fm/M0＝52.22(b/t)1/3；M0＝σ0t2/4；N1＝L/(2H)；E1＝FmHδeN1；其中，σy为屈服强度，σu为极限强度，n为强化指数。第三步、建立薄壁方管的有限元模型，对薄壁方管进行有限元模态分析，选择轴向阶次振型图显示的皱褶个数大于N1的高阶正弦屈曲模态；然后根据增设隔板数量N2与预期吸能E2之间的收敛公式确定增设隔板的数量；然后将所增设的隔板分别设置在所选择的高阶正弦屈曲模态的振型图的相应振型节点处；其中，增设隔板数量N2与预期吸能E2之间的收敛公式为：其中，δe为皱褶压缩率。通常，预期吸能E2可在原始吸能量E1的基础上增加一定的比例，具体比例可根据应用环境和用户需求进行合理设定，在相关的收敛公式确定隔板数量的计算中为已知量。该步骤中可在有限元分析软件平台(如Ansys)上建立有限元模型，具体包括：依据结构的几何拓扑关系建立结构的网格模型，然后依据结构的受力特征选取单元类型，设置单元网格材料属性和截面属性得到精细有限元模型的所有单元，依据约束条件对网格结构施加约束，得到薄壁管件结构的力学有限元模型。在冲击载荷作用下，薄壁结构的动力响应阶段分为瞬态响应阶段和模态响应阶段。冲击过程早期，结构在初始外界载荷激励作用下，存在一个以移行铰为特征的瞬态响应阶段；冲击过程后期，结构状态由瞬态响应阶段过渡到模态响应阶段。瞬态响应阶段的变形由结构初始速度场出发和演化得到，在瞬态响应阶段中，结构变形形态不停变化，速度场的大小和分布也不稳定，进而影响塑性铰的位置随时间发生变化。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种诱导薄壁管件吸能的主动控制方法，其特征在于，包括：第一步、获取待分析的薄壁方管的结构参数；所述结构参数包括边长为b，壁厚为t，总长为L；第二步、根据所述结构参数预测所述薄壁方管的在冲击荷载作用下的叠缩屈曲皱褶个数N1、并计算所述薄壁方管发生叠缩变形的平均力Fm、有效塑形铰半波长度H和原始吸能量E1；第三步、建立所述薄壁方管的有限元模型，对所述薄壁方管进行有限元模态分析，选择轴向阶次振型图显示的皱褶个数大于N1的高阶正弦屈曲模态；然后根据增设隔板数量N2与预期吸能E2之间的收敛公式确定增设隔板的数量；然后将所增设的隔板分别设置在所选择的高阶正弦屈曲模态的振型图的相应振型节点处；其中，所述增设隔板数量N2与预期吸能E2之间的收敛公式为：

【技术特征摘要】
1.一种诱导薄壁管件吸能的主动控制方法，其特征在于，包括：第一步、获取待分析的薄壁方管的结构参数；所述结构参数包括边长为b，壁厚为t，总长为L；第二步、根据所述结构参数预测所述薄壁方管的在冲击荷载作用下的叠缩屈曲皱褶个数N1、并计算所述薄壁方管发生叠缩变形的平均力Fm、有效塑形铰半波长度H和原始吸能量E1；第三步、建立所述薄壁方管的有限元模型，对所述薄壁方管进行有限元模态分析，选择轴向阶次振型图显示的皱褶个数大于N1的高阶正弦屈曲模态；然后根据增设隔板数量N2与预期吸能E2之间的收敛公式确定增设隔板的数量；然后将所增设的隔板分别设置在所选择的高阶正弦屈曲模态的振型图的相应振型节点处；其中，所述增设隔板数量N2与预期吸能E2之间的收敛公式为：其中，δe为皱褶压缩率；第四步、对增设隔板后的改进结构，建立方管撞击动力学仿真计算力学模型，进行仿真分析，比较优化前后的吸能特性。2.根据权利要求1所述的诱导薄壁管件吸能的主动控制方法，其特征在于，所述第二步的相关计算公式包括：Fm/M0＝52.22(b/t)1/3；M0＝σ0t2/4；

【专利技术属性】
技术研发人员：姚曙光，许平，肖娴靓，彭勇，鲁寨军，闫凯波，陆思思，车全伟，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43