誘導缺陷結構在薄壁構件耐撞性中的應用

譚麗輝 譚洪武 魯帥

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

誘導缺陷結構在薄壁構件耐撞性中的應用

譚麗輝1譚洪武2魯帥3

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

對薄壁構件的誘導缺陷結構進行綜合性闡述，分析其在薄壁構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缺陷結構設計要求，同時給出常見誘導結構形式；指出在不改變薄壁構件幾何參數、形狀和使用材料的情況下，誘導缺陷結構能夠很好地實現控制薄壁構件的變形模式，提高其耐撞性能。

薄壁構件；誘導缺陷結構；耐撞性

金屬薄壁構件被廣泛地應用在汽車、飛機、輪船等交通工具中，作為發生碰撞事故時的能量吸收裝置［1］。如圖1載荷-位移曲線圖，衡量薄壁構件耐撞性能的指標通常是其吸能能力和碰撞過程中的峰值載荷，薄壁構件在碰撞過程中的最大峰值載荷通常出現在2處，一處是在臨界狀態即結構剛開始屈曲時，取決于結構的彈塑性性能；另一處在整個薄壁構件被壓縮碰撞終了時，峰值碰撞力在此時會急速上升。其中前一個峰值碰撞力對薄壁構件失效有顯著的影響，是碰撞問題需要重點研究的對象。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件要求有較高的吸能力與較低的峰值載荷。在保證薄壁構件吸能能力的情況下，有效降低其峰值載荷，是薄壁構件結構設計者的終極目標。

圖1 薄壁構件軸向漸進疊縮變形典型載荷-位移曲線圖

1 誘導缺陷結構作用

為了提高薄壁構件的耐撞性能，穩定其壓潰變形模式。近年來，眾多學者采用多種方式對薄壁構件進行結構改進。而在薄壁構件上采用設置誘導缺陷結構的方法，可消除碰撞過程中碰撞力曲線波動振幅較大的區域，實現其平穩受力的目的［2］。此方法是通過在薄壁構件某一特定位置處設置誘導缺陷結構，使其在碰撞時首先在該處開始塌陷變形，來降低薄壁構件在此處的剛度，從而實現減小碰撞力的目的。

1999年，L.Sunghak等［3］率先研究了矩形孔誘導結構對薄壁方管耐撞性能的影響，指出合理的誘導缺陷結構能夠提高吸能能力并降低峰值載荷。國內方面，2001年合肥工業大學的錢立軍等［4］研究了V形凹槽、圓孔、方孔、面內圓孔等誘導結構對薄壁構件耐撞性能的影響。

2 誘導缺陷結構設計要求

在薄壁構件上設置誘導缺陷結構不受安裝空間的局限，通用性高，具有實際工程應用研究價值。誘導缺陷結構在設計時基于不同方面的考慮主要需滿足如下2個要求：從其功能考慮，作為輔助變形結構，要有效發揮引導薄壁構件變形的作用，將薄壁構件的變形向有利的方向引導，不能破壞整體結構的有效性，保證碰撞過程中薄壁構件的有效變形模式；從其制造工藝考慮，為了實現大批量現代化生產的要求，誘導缺陷結構的設計需要滿足合理的工藝性。

3 常見誘導缺陷結構形式

誘導缺陷結構的加工方法常常采用擠壓、沖壓工藝等，常見的誘導結構如圖2所示，包括凹槽、圓孔、橢圓形孔、圓孔等。

近年來，基于誘導缺陷結構在薄壁構件耐撞性中的作用，引起越來越多的學者對其進行研究。在上述基本結構的基礎上，有的研究者還設計了波紋管等薄壁結構形式［5］。筆者鑒于前人的研究成果，對誘導凹槽、凸槽、凸凹交錯的誘導槽的幾何參數、數量及其分布進行了大量的研究及優化設計［6-8］。進一步證明了在不改變薄壁構件幾何參數、形狀和使用材料的情況下，誘導缺陷結構能夠很好地實現控制薄壁構件的變形模式，提高其耐撞性能。

圖2 常見誘導結構形式

4 結語

本文主要對誘導缺陷結構在薄壁構件耐撞性中的作用進行闡述，并從其使用功能和制造工藝考慮提出誘導缺陷結構設計要求，同時給出了常見誘導缺陷結構形式。指出在不改變薄壁構件幾何參數、形狀和使用材料的情況下，誘導缺陷結構能夠很好的實現控制薄壁構件的變形模式，提高其耐撞性能。

［1］譚麗輝.參數化薄壁構件模型的耐撞性分析與優化設計［D］.長春：吉林大學，2015.

［2］雷正保.汽車縱向碰撞控制結構設計的理論與方法［M］.長沙：湖南大學出版社，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.具有誘導結構的汽車薄壁桿件的耐撞性研究［J］.設計.計算.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化設計［J］.江蘇理工大學學報（自然科學版），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化設計［J］.振動與沖擊，2013（21）：80-84.

［7］譚麗輝，譚洪武，毛志強，等.有不同誘導槽結構的薄壁圓管抗撞性優化［J］.振動與沖擊，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化設計［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：數值模擬、力學計算、結構優化。