局部表面納米化技術(shù)對圓柱殼屈曲模態(tài)的誘導及吸能評估.pdf

1、圓柱殼是工程領(lǐng)域中普遍采用的薄壁結(jié)構(gòu)之一。它具有較高的強度、質(zhì)量輕、低成本、吸能效率高等特點，因此，常常作為吸能結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用在汽車、航空航天、船舶等領(lǐng)域，起到緩沖吸能、保護乘員和關(guān)鍵部件的作用。如何提高吸能結(jié)構(gòu)的能量吸收性能已經(jīng)成為研究人員和工程師非常關(guān)注的問題，尤其是在汽車工程領(lǐng)域。
　　本文借助于局部表面納米化技術(shù)，提出一種新的誘導彈塑性圓柱殼屈曲模態(tài)的方法。采用有限元計算方法對局部表面納米化圓柱殼在軸向沖擊載荷作用下從屈曲

2、的開始到屈曲的演變整個屈曲過程和屈曲模態(tài)變化過程進行數(shù)值模擬。通過分析局部表面納米化后圓柱殼材料性能的改變和表面納米化分布對圓柱殼屈益模態(tài)的影響，提出三類典型的局部表面納米化形狀分布。這三類局部表面納米化形狀分布分別為:沿圓柱殼軸向呈均勻間隔、等環(huán)條帶狀分布;沿環(huán)向呈均勻間隔、等長條帶狀分布;在圓柱殼表面呈等矩形片狀分布等。這些納米化布局可誘導圓柱殼不同的屈曲模態(tài)及發(fā)展路徑。在此基礎(chǔ)上，提出在圓柱殼表面分區(qū)段局部表面納米化布局。所述的區(qū)

3、段采用不同的納米化區(qū)域布局設(shè)計、不同的納米化程度，并且在區(qū)段間采用特殊的表面納米化過渡區(qū)等。實現(xiàn)沖擊載荷小時可控制圓柱殼在設(shè)定的區(qū)段發(fā)生局部屈曲，而沖擊載荷大時整體屈曲并分區(qū)段逐段屈曲演變。這種方法為控制結(jié)構(gòu)屈曲模態(tài)提供了一種設(shè)計方法。
　　采用數(shù)值模擬的方法研究納米化區(qū)域數(shù)目、納米化區(qū)域形狀及納米化程度等對圓柱殼屈曲模態(tài)和能量吸收的影響，分析了局部表面納米化圓柱殼屈曲模態(tài)與其吸收能量的關(guān)系，并通過分析沖擊力位移曲線和利用比吸能等

4、評價指標對圓柱殼的能量吸收性能進行了評估。優(yōu)化出圓柱殼達到最佳吸能效果（如比吸能最大化）時的各類納米化區(qū)域形狀參數(shù)和布局參數(shù)。同時討論了圓柱殼長度、厚度及沖擊速度等對圓柱殼屈曲變形模式和能量吸收性能的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明，軸向表面納米化條帶、環(huán)向表面納米化條帶和局部片狀表面納米化布局的圓柱殼的屈曲變形模式與能量吸收性能都明顯優(yōu)于原彈塑性圓柱殼。其次，并不是納米化區(qū)域的密集程度越高，變形模式和吸能性能越好。適當?shù)募{米化區(qū)域布局可以使圓柱