● 摘要
能量吸收装置在许多工业领域，特别是航空航天领域有着重要的应用，在提高飞行器安全性方面起着重要的作用。随着科学技术的发展，各种航天器和航空器的性能和使用范围得到了迅速发展，需要设计和发展性能更好的新型能量吸收装置，以满足日益增长的飞行器安全性的设计需求。基于这一工程背景，本文对胀环式和轴向压溃复合材料圆管这两种类型的轴压管式能量吸收装置进行了研究，对其能量吸收特性和适用范围进行了详细的分析，可为这类型的能量吸收装置在工程中的应用提供指导和参考。主要贡献有：(1)从能量吸收角度设计并进行了大量的实验，研究了金属圆管在圆锥－圆柱形冲模作用下，发生径向塑性膨胀变形从而吸收能量的行为。实验采用的5A06铝管内半径R0=22.5mm，厚度h=1-5mm，冲模圆锥段的半锥角γ=5°-20°，圆柱段半径Rd=24mm。通过对实验结果的系统分析，研究了这种结构的能量吸收机理、载荷位移曲线特性，给出了稳定状态驱动力和比吸能随圆管壁厚以及冲模半锥角的变化曲线。(2)发现了金属圆管在锥形-圆柱形冲模作用下膨胀变形的过程具有三种不同的变形模式：“圆管端部－锥面接触模式（T-C模式）”,“圆管内壁－锥面接触模式（W-C模式）”和“圆管内壁－锥面和柱面接触模式（W-CC模式）”。通过数值模拟分析给出了这三种模式各自的变形过程和压入各个阶段的驱动力变化特性。利用数值结果分析圆管应力状态的变化时发现，圆管在进入冲模圆柱段后的变形过程中，出现了继续膨胀-卸载-反向屈服的复杂变形过程，对这一过程文中给出了详细的描述和分析。(3)建立了冲模压入圆管过程的弹塑性理论模型，给出了描述三种不同的变形模式的解析解，完整揭示了圆管径向膨胀的变形过程和吸能的机理。具体分析中，应用圆柱壳轴对称变形的平衡方程与地基梁平衡方程形式相同，因此可以参照地基梁的变形，分析圆管径向膨胀变形过程。我们采用刚-线性强化材料模型，给出了冲模压入过程中圆管的径向挠度、压入行程、以及冲模驱动力之间的相互关系，以及稳定状态下驱动力的预测。对“圆管端部－锥面接触模式”,“圆管内壁－锥面接触模式”和“圆管内壁－锥面和柱面接触模式”三种变形模式都进行了相应的理论分析，给出了各个阶段变形的理论模型和载荷-位移曲线，并给出了三种模式对几何参数的分布规律。此外，还采用弹－线性强化材料模型分析了压入过程初期圆管变形情况，指出初期弹性变形的影响很小。通过与实验和数值模拟的结果比较，验证了理论模型是准确的。(4)对G827/3234、G803/3234、G827/5224、G803/5224碳纤维/环氧树脂和759/3234、759/5224玻璃纤维/环氧树脂复合材料圆管的轴向压溃和能量吸收特性进行了大量准静态和冲击实验，研究了纤维铺设角度、材料混杂比例、径厚比对复合材料圆管能量吸收性能的影响。其中对两种脆性纤维混杂增强复合材料圆管的轴向压溃能量吸收特性的研究工作尚属首次。利用实验数据讨论了纤维、基体种类和混杂比例的影响。实验发现纤维混杂比例对峰值载荷有很大影响但对能量吸收率作用不明显。结合其他两个影响参数的实验工作，对轴向压溃脆性纤维增强复合材料圆管的变形模式、载荷-位移曲线、能量吸收特性进行了系统的分析，并研究了不同加载速率对各种类型圆管的能量吸收性能的影响。