能量吸收装置材料性能影响因素研究

本文主要研究单层方管预折式吸能构件的吸能特性。生产和实验过程中使用的方管预折式吸能装置的相关参数如图所示。

Figure3 Dimensions of the square tube pre-folded energy absorption device

预折方筒的设计思路来源于折纸，其斜折角度的变化对应着筒壁板的形状和筒体高度的变化。由于预折方筒的变形是一种固定的模式和可预测的，因此可以通过研究其几何关系、材料特性和预折方筒结构的屈曲特性之间的关系，将其作为一种可参数化的吸能构件加以应用。

数值模拟中，采用密度、弹性和塑性来描述材料的强度/应变准则，器件的尺寸和材料与试验结果一致。在装置顶部设置一个向下位移的刚性板，以代替压缩刚性板，其位移速度与试验加载速度一致。在该装置的底部设置一个固定的刚性板。器件和刚性板为摩擦接触关系，摩擦系数为0.4。能量吸收装置采用的钢密度为7650kg/m3，弹性模量为207GPa，泊松比为0.3，屈服强度为1000MPa，极限强度为1100MPa。模型划分了7536个网格单元。数值模型如图所示。

Figure5 numerical simulation model

3.2 Test curve

防冲吸能构件压缩过程的荷载位移曲线如图6所示，呈上下波动的“W”型。构件屈服荷载为4966.8 kN，变形过程中最小承载力为2539.4 kN，平均让位承载力为3576.2 kN。

Figure 6 . Force - displacement curve of test

构件初始发生弹性变形，承载力迅速上升，变形较小。紧接构件中部折纹区域首先发生变形，外凸与内凹折纹受挤压分别向外向内变形，构件上半部发生溃缩，同时折叠区域产生堆叠变形。上部端口内收折叠后，构件下半部开始溃缩直至整个构件完全压溃。证明了该构件有稳定的变形吸能过程。

试验和数值模拟的力-位移曲线对比图如图7所示。分别取曲线的峰值谷底为关键点进行分析。第一个曲线上升段试验和模拟的峰值分别为：4966405N、4815311N，差值为3.0%。第一个曲线下降段试验和模拟的谷底分别为：2557452N、2438766N，差值为4.6%。第二个曲线上升段试验和模拟的峰值分别为：3769536N、4459408N，差值为15.5%。总的来说，两组的波动趋势基本一致，极值位置的最大误差也在试验值的20%以内。

Figure9 . Error at the extreme position of the force-displacement curves

虽然现场实验和数值模拟得到的力-位移曲线趋势大致相同，但现场实验中由于钢材再加工过程中的弯曲和过热，局部材料性能发生了变化，而数值模拟中的材料性能都是统一的，进而导致曲线不能完全一致。因此，为了深入探讨现场实验和数值模拟得到的力-位移曲线的差异原因，通过改变不同区域的材料特性，得到方形预折叠吸能结构各个部分材料属性改变对力-位移曲线的影响。