誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)在薄壁構(gòu)件耐撞性中的應(yīng)用

譚麗輝 譚洪武 魯帥

（1.吉林化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，吉林吉林 132022；2.中油吉林石化公司有機(jī)合成廠乙丙橡膠車間，吉林吉林 132022；3.遼寧省高速公路運(yùn)營管理有限公司金普分公司，遼寧大連 116600）

誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)在薄壁構(gòu)件耐撞性中的應(yīng)用

譚麗輝1譚洪武2魯帥3

（1.吉林化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，吉林吉林 132022；2.中油吉林石化公司有機(jī)合成廠乙丙橡膠車間，吉林吉林 132022；3.遼寧省高速公路運(yùn)營管理有限公司金普分公司，遼寧大連 116600）

對薄壁構(gòu)件的誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合性闡述，分析其在薄壁構(gòu)件碰撞過程中的作用及其提高耐撞性能的原理，并從使用功能和制造工藝方面提出誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)給出常見誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)形式；指出在不改變薄壁構(gòu)件幾何參數(shù)、形狀和使用材料的情況下，誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)能夠很好地實(shí)現(xiàn)控制薄壁構(gòu)件的變形模式，提高其耐撞性能。

薄壁構(gòu)件；誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)；耐撞性

金屬薄壁構(gòu)件被廣泛地應(yīng)用在汽車、飛機(jī)、輪船等交通工具中，作為發(fā)生碰撞事故時(shí)的能量吸收裝置［1］。如圖1載荷-位移曲線圖，衡量薄壁構(gòu)件耐撞性能的指標(biāo)通常是其吸能能力和碰撞過程中的峰值載荷，薄壁構(gòu)件在碰撞過程中的最大峰值載荷通常出現(xiàn)在2處，一處是在臨界狀態(tài)即結(jié)構(gòu)剛開始屈曲時(shí)，取決于結(jié)構(gòu)的彈塑性性能；另一處在整個(gè)薄壁構(gòu)件被壓縮碰撞終了時(shí)，峰值碰撞力在此時(shí)會(huì)急速上升。其中前一個(gè)峰值碰撞力對薄壁構(gòu)件失效有顯著的影響，是碰撞問題需要重點(diǎn)研究的對象。在碰撞過程中降低最大峰值載荷，能有效地減小碰撞加速度，故出于對乘員安全的考慮，要盡可能減小初始最大峰值載荷。

耐撞性能較好的薄壁構(gòu)件要求有較高的吸能力與較低的峰值載荷。在保證薄壁構(gòu)件吸能能力的情況下，有效降低其峰值載荷，是薄壁構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者的終極目標(biāo)。

圖1 薄壁構(gòu)件軸向漸進(jìn)疊縮變形典型載荷-位移曲線圖

1 誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)作用

為了提高薄壁構(gòu)件的耐撞性能，穩(wěn)定其壓潰變形模式。近年來，眾多學(xué)者采用多種方式對薄壁構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。而在薄壁構(gòu)件上采用設(shè)置誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)的方法，可消除碰撞過程中碰撞力曲線波動(dòng)振幅較大的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)其平穩(wěn)受力的目的［2］。此方法是通過在薄壁構(gòu)件某一特定位置處設(shè)置誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)，使其在碰撞時(shí)首先在該處開始塌陷變形，來降低薄壁構(gòu)件在此處的剛度，從而實(shí)現(xiàn)減小碰撞力的目的。

1999年，L.Sunghak等［3］率先研究了矩形孔誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)對薄壁方管耐撞性能的影響，指出合理的誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)能夠提高吸能能力并降低峰值載荷。國內(nèi)方面，2001年合肥工業(yè)大學(xué)的錢立軍等［4］研究了V形凹槽、圓孔、方孔、面內(nèi)圓孔等誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)對薄壁構(gòu)件耐撞性能的影響。

2 誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

在薄壁構(gòu)件上設(shè)置誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)不受安裝空間的局限，通用性高，具有實(shí)際工程應(yīng)用研究價(jià)值。誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)基于不同方面的考慮主要需滿足如下2個(gè)要求：從其功能考慮，作為輔助變形結(jié)構(gòu)，要有效發(fā)揮引導(dǎo)薄壁構(gòu)件變形的作用，將薄壁構(gòu)件的變形向有利的方向引導(dǎo)，不能破壞整體結(jié)構(gòu)的有效性，保證碰撞過程中薄壁構(gòu)件的有效變形模式；從其制造工藝考慮，為了實(shí)現(xiàn)大批量現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要滿足合理的工藝性。

3 常見誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)形式

誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)的加工方法常常采用擠壓、沖壓工藝等，常見的誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括凹槽、圓孔、橢圓形孔、圓孔等。

近年來，基于誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)在薄壁構(gòu)件耐撞性中的作用，引起越來越多的學(xué)者對其進(jìn)行研究。在上述基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，有的研究者還設(shè)計(jì)了波紋管等薄壁結(jié)構(gòu)形式［5］。筆者鑒于前人的研究成果，對誘導(dǎo)凹槽、凸槽、凸凹交錯(cuò)的誘導(dǎo)槽的幾何參數(shù)、數(shù)量及其分布進(jìn)行了大量的研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)［6-8］。進(jìn)一步證明了在不改變薄壁構(gòu)件幾何參數(shù)、形狀和使用材料的情況下，誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)能夠很好地實(shí)現(xiàn)控制薄壁構(gòu)件的變形模式，提高其耐撞性能。

圖2 常見誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)形式

4 結(jié)語

本文主要對誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)在薄壁構(gòu)件耐撞性中的作用進(jìn)行闡述，并從其使用功能和制造工藝考慮提出誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)給出了常見誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)形式。指出在不改變薄壁構(gòu)件幾何參數(shù)、形狀和使用材料的情況下，誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)能夠很好的實(shí)現(xiàn)控制薄壁構(gòu)件的變形模式，提高其耐撞性能。

［1］譚麗輝.參數(shù)化薄壁構(gòu)件模型的耐撞性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.長春：吉林大學(xué)，2015.

［2］雷正保.汽車縱向碰撞控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論與方法［M］.長沙：湖南大學(xué)出版社，2000.

［3］Sunghak L，Changsu H，Meungho R，et al.Effect of triggering on the energy absorption capacity of axially compressed aluminumtubes［J］.Materials and Design，1999（1）：31-40.

［4］錢立軍，楊士欽，馬恒永.具有誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的汽車薄壁桿件的耐撞性研究［J］.設(shè)計(jì).計(jì)算.研究，2001（6）：9-11.

［5］王曉，劉星榮，葛如海.波紋管在汽車碰撞吸能中的正交優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.江蘇理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（22）：30-32.

［6］譚麗輝，徐濤，張煒，等.帶有圓弧形凸槽金屬薄壁圓管耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.振動(dòng)與沖擊，2013（21）：80-84.

［7］譚麗輝，譚洪武，毛志強(qiáng)，等.有不同誘導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)的薄壁圓管抗撞性優(yōu)化［J］.振動(dòng)與沖擊，2014（8）：16-21.

［8］譚麗輝，徐濤，崔曉梅，等.帶有圓弧形凹槽金屬薄壁圓管耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.爆炸與沖擊，2014（5）：547-553.

Application of Induced Defect Structure in Thin-Walled Components of Crashworthiness

Tan Lihui1Tan Hongwu2Lu Shuai3
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin Jilin 132022；2.Ethylene Propylene Rubber Workshop，Organic Synthesis Plant of China Petroleum Jilin Petrochemical Industry Company，Jilin Jilin 132022；3.Jinpu Branch of Liaoning Expressway Operation and Management Co.Ltd.，Dalian Liaoning 116600）

This paper comprehensively described the structure of the induced defects of thin-walled members,analysed its role in the collision process of thin-walled components and the principle of improving the performance of the collision,and put forward the design requirements of the induced defect structure from the aspects of use function and manufacturing process,and gave the common induced structure forms;It was pointed out that without changing the geometrical parameters,shapes and materials of thin-walled components,the structure of the induced defects could effectively control the deformation mode of thin-walled component,to improve the collision resistant performance.

thin-walled components；induced defect structure；crashworthiness

TH123.1

A

1003-5168（2016）11-0074-02

2016-10-24

譚麗輝（1977-），女，博士，副教授，研究方向：數(shù)值模擬、力學(xué)計(jì)算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化。