第27卷第8期文章编号:1006—9348(2010)08—0325一05计算机仿真2010年8月不同轴截面薄壁筒在轴向冲击下吸能特性研究孟卓,孙秦(西北工业大学航空学院,陕西西安710072)摘要:针对目前飞行器I验撞安全性问题研究,要减缓碰撞时的冲击载荷和耗散能量,以薄擘筒结构为研究对象。采用非线性有限元理论建立计算模型,采用显式动力学算法进行数值仿真。利用非线性有限元软件ABAQUS仿真了不同轴截面的薄壁筒在受轴向冲击下的变形,通过比较四种薄壁筒在受轴向冲击下的压溃力峰值、平均压溃力及比吸能研究其吸能特性,并与相关的理论解进行了对比。结果表明:冲击动能相同条件下,无论从比吸能方面还是从压溃力峰值方面来考虑,轴截面为梯形的薄壁筒的吸能特性优于轴截面为矩形的薄壁筒;从乘员的安全角度考虑圆台做吸能结构吸能是方台的1.5倍,而压溃力峰值只有方台的75.3%。关键词:轴截面形状;薄壁筒;轴向冲击;比吸能中图分类号:0313文献标识码:BEnergy——AbsorptionCharacteristicsofThin——WalledTubewithDifferentAxial—-SectionShapesunderAxialImpulsiveLoadMENGZhuo,SUN(SchoolofQinAeronautics,NorthwesternPolytochnicalUniversity,Xi'anShanxi710072,China)atABSTRACT:Aimingtherequirementsofaircraftsafety,thethin—walledelementmodelsofthin—walledontubestructureundercrushingforceisstudiedinthissquareandpaper.’啦finiteuptubeswithdifferentaxial—sectionshapesbetweentheory.Then,thedynamicexplicitalgorithmisofa.trapezoid啪setbasednonlinearfiniteelementdeformationdoptedtosimulatetheimpactingprocess.Themodesthin—walledtubeswithdifferentaxial—sectiontoshapesunderaxialimpulsiveload眦investigatedstructurenumericallyusingABAQUSsoftware.Inorderstudytheenergycomparedandthewiththe—absorptioncharacteristics,theenergypeakvalueandtheaverageofcrushingforcesofthefourtubesisarcabsorptioncapacityofthestudiedextensively.Then,thenumericalresultsarecomparedtheoreticresults.Thetoresultsshowthattheenergy—absorptioncharacteristicsofthetubeswithtrapezoidaxial—sec・withrectangletion呲superiortubebeneficialtothatofthetubesaxial—section.Thespecificenergy—absorptioncapacityofconeis1.5timesoffrustatube|’s,whilethepeakvalueofcrushingforceis75.3percentfrustatllbe's,whichismorepassengers.tube;AxialthesafetyoftheKEYWORDS:Axial—-sectionshape;Thin—-walledimpact;Specificenergyabsorptioncapacity变形能。薄壁管状结构由于具有良好的吸能特性被用于吸l引言对于车辆、航天器等运动着的结构来说,发生碰撞、坠撞能装置中,其吸能特性主要依赖结构在轴向冲击下的塑性动态屈曲力学行为¨.4j。目前设计吸能装置时,主要考虑薄壁金属构件,因为薄壁金属构件在受到撞击载荷的作用时,破坏模式稳定,并且能够以可控制的方式通过自身的塑性变形吸收和消耗能量,产生一定的压溃行程,从而达到吸收碰撞结构的动能、降低行使减速度的目的。国内外不少学者对薄壁壳构件进行了实验与仿真研究,大多集中在对轴截面为正方形或矩形的薄壁壳吸能效果的研究。而对轴截面为梯形事故或特定的冲击事件是不可避免的,这就对车辆行使安全,航天器软着陆等提出了耐撞性要求¨oo,即能够在突发或特定的碰撞事件中,依靠自身或附加装置的屈曲、断裂等破坏形式来减缓碰撞时的冲击载荷,耗散冲击能鼍。良好的吸能结构能够把碰撞动能不可逆地转换为塑性基金项目:航空基金(N7CB0001)收稿日期:2009一05-01修回日期:2009—0r7-01的研究较少。本文针对民机坠撞研究中对结构耐撞性的要..——325.-——求,建立了具有矩形和梯形轴截面的薄壁筒的有限元模型,对这两种轴截面形状的薄壁筒在轴向冲击载荷下的吸能特性进行了对比,为设计更好的吸能结构提供了有益的参考。2轴向冲击吸能特性基本理论【6】作为主要的能最吸收部件,吸能结构通过塑性变形来耗散碰撞动能,缓冲碰撞力以减少伤害。因此要求吸能结构具有较高的吸能比,并且变形过程要平稳。一般地,评估吸能结构性能的主要指标有:1)平均压溃力凡一和压溃力峰值■。平均压溃力f二。反映结构整体所受的载荷水平,压溃力峰值F~反映初始过载或最大过载情况。根据N.Jone的塑性铰理论,圆柱筒和方筒的平均压溃力的理论解D.71分别为:‘”lP=————————————兰:————二型L:竺型等14黛R/H)掣1f2.(”一㈩”7l、巳=13.060'oⅣ2(C/H)∽[1+(0.33WCD)1匀](2)其中尺、C分别为横截面圆半径和方形的边长,日为薄壁筒的厚度,%为材料的屈服应力,P,D为材料常数,肘为撞击质量块的质量,y为撞击速度。2)总吸能E和比吸能田整个压溃变形过程吸收的能量可以通过载荷一位移历程曲线得到:E=JFdS=,二(s5一s。)=k。“(3)式中S。,S;分别为最终破坏点和起始破坏点,,为瞬时载筒;F一为平均载荷;AI为有效压溃距离。比吸能是指结构在有效,K溃距离内单位质量所吸收的能最,是衡量材料和结构能量吸收能力的一个重要参数,可以表示为田:旦;—F一.—AI,,2一=一L‘.J(4)式中,m为构件的质量。3非线性有限元模型的建立3.1薄壁筒的几何特性本文所研究的薄壁筒的轴截面分别为矩形和梯形。轴截面为矩形的薄壁筒有方筒和圆筒,轴截面为梯形的薄壁筒有方台和圆台。薄壁筒的几何尺寸如表l所示,数值模拟的物理模型如图l所示。筒的下底边固支,上端受质量为300kg的刚性板撞击,撞击速度为8米/秒。薄壁筒由低碳钢材料构成,其力学性能参数为:密度P=7.8×103kg/m3,弹性模量E=2.1GPa,屈服应力cr0=210MPa,泊松比l,=0.3。由表l可知,四种薄壁筒的紧致比(指薄壁壳的横截面直径或边长与轴向长度之比)相同。・--——326・--——裹l2种轴截面薄壁筒的尺寸(a)轴截面为矩形的薄壁筒㈣轴截面为梯形的薄壁筒图1薄壁筒的物理模型3.2薄壁筒的有限元模型本文利用大型非线性有限元软件ABQUAS来建立有限元模型,采用动态显式算法,选用S4R单元,沿壳的厚度方向取5个积分点,对材料的沙漏及体积粘性控制采用软件本身的默认值。由于低碳钢材料的动态变形受应变率的影响较大,本模型采用Cowper—Symonds公式来考虑应变率的影响【6’:叮’=cro[1+(8/D)I/q],其中矿’为低炭钢的动态流动应力,善为塑性应变率,动态屈服硬化参数D=40.4s~。q=5。刚性体与薄壁筒问的接触定义为面一面接触,在碰撞变形的过程中薄壁筒自身的内外表面也会产生接触,取双面自接触(self—contact)o4数值模拟结果分析根据式(1)、(2),计算得到圆筒和方筒在轴向冲击下的压溃力理论解分别为:‰。=53.52kN,Po=41.93kN。砷100150压溃距离/nan图2理论解与有限元仿真解的比较图2给出了压溃力一位移曲线的有限元解与理论解的比较,可以看出方筒的有限元解与Jone理论解吻合较好,而效果,而影响屈曲模式的因素较多。早期的实验研究认为,对于紧致比小于80的薄壁圆筒多半发生对称渐进屈曲,而对于紧致比大于81.6的方筒可能会发生非对称屈曲模式。实际的有限元计算结果与早期的实验也有出入"1,大多数学者认为材料的硬化参数和结构的几何尺寸以及冲击速度共同决定其屈曲模式【8,'10|,而本文的计算结果还表明,数值计算误差的累积也会对屈曲模式产生影响。本文的研究中,模型的紧致比均不超过60。图3为两种轴截面下,四种薄壁筒在受冲击前后以及冲击过程巾的变形情况。圆筒的有限元解与理论解略有差异。其原因是:对于圆筒,数值模拟得到的屈曲模式是非对称的(如图3(c)),而Jone理论建立在对称屈曲模式的假设条件之卜的;对于方简,数值模拟得到的屈曲模式(图3(a))与Jone理论假设的届曲模式同为对称屈曲模式。从表2可以看出,平均压溃力的理论解和本文得到的有限元仿真解较为吻合,表明本文建立的计算模型是正确的。4.1冲击变形形态薄壁筒受轴向冲击后的屈曲变形模式直接影响到吸能圈3不同轴截面薄壁简在轴向冲击下的变形从图3可以看出,冲击过程中方筒和方台的压溃变形出现了比较稳定的对称屈曲模式,这与Jone理论吻合较好;而圆筒和圆台的,K溃变形过程的稳定性较差,圆筒在冲击初期(t=14ms之前)的屈曲变形是对称的,而在冲击后期,出现了非对称屈曲变形。之所以如此,笔者认为其原因之一是数值误差的累积结果,在计算过程中产生了不对称变形的诱导另外,图3表明四种薄壁筒在相同冲击动能下的有效压溃距离也存在着差异,通过输出计算结果町知方筒的有效压溃距离为211.4mm,方台、圆筒、圆台的有效压溃距离分别为207.1m/n、172.3mm、179.7mm。4.2压溃力比较图4为不问轴截面薄肇筒的动态压溃力随时间的变化因子,而这种诱导因素在对圆筒和圆台的模拟计算中略显突出,导致对圆筒和圆台的冲击模拟出现非对称屈曲变形。曲线,图4表明,压溃力在第一个峰值处取得最大值,由Jone理论可知,引起这个冲击力峰值的主要原因是结构的轴向刚...——327..-一度.刘干横截州由^形和呵形舶薄罐筒.鼍片厚度及繁致比柑同时.方形报闻筒的轴向剐懂较^,因此宵筒和打台的n:溃JJ峰仳^J嘲茼和咖台的,Ⅲ任发生塑性埘曲后压溃力舳大小l=罂II】川Itil模式啦定_-般说采方筒和方卉舯压溃力小T踟筒和叫打的嘲4和表2列…r车史的汁”结小.也验证rJ州理沧曲丝一站沧,Ⅻl“l∞l“;,。§*一Ⅸ从占2目崮4“f以再m轴截面为矩形的方筒和喇筒的¨:漪力蚌仙此xtm的轴截而为梯形舶方竹和圆台的略岛,其rl・叫白的城低.约为打台压谀山峰值的753%嘲4迁袅叫,随荇Hzdr过程枘连行,凹筒的住溃力m现r第j瘐峰值。4.3礁能情况比较圈5为pq种薄肇筒n榭阿巾-h动能下的比暇能随时删的变化棚线,从嘲中可“界iJj,嘲筒和咖古的比吸能比A简和方台的太;咖筒的比唆能比捌音的略火,方筒和方台的【匕吸能棚当从占2rlfⅫ,眦靠舶№啦能址方台的】5倍.删筒的比啦能约是汀简的I6俯.tfj}#*£女2口#*tm∞Ⅲ*#*m穗^“*r目“&^n《镌Em艇【kN)IkNl(U)lid/kg)^W168553s“¨j936∞922目∞1,5∞472/53527”l502—328盥吐“』.甜戥值模拟结粜的卦析对比一4知埘丁轴截而年¨枘薄哇耐.1脬廑和紧豉&相同H、f,在州¨冲.{.动能F,啪偷和哪台的心噬能_l比暧能较大.jL叫台的M溃力峰优鞍低喇此枉波lI啦能结构时,nI’岂儿¨构肜材料等条忡允许的惦毗F,排荐使川㈨青作为吸舱钻构。5结论奉文采州数皿填越打法日}究r水悄轴戴咖曲薄壤筒枉轴向冲.hr的嵝能特忭.利川m线性“mm软件啦*冲.Ii.曲力学模型从雎溃山fj嫂堆溃Br离和比啦能等打面考虑币同薄带筒结构柏吸能特性.通过时数僻仿贞鲇槊的分析.褥刮蜘F蚺沧¨利川ABAQLS非线性打触元软件。采用Ⅱ式动忐A往能够报女,柏1}l拟薄啭阿扮轴向什.1rM题,本文迎过对不¨轴拭向形状的薄啭筒在轴l:u冲.j.F的动忐届曲行为的模拟.n宅样崖li验证rJmc岬比。2)在致计吸能站构时应综音母虑比暇能和压溃力等帆要凼索从小丘的}f苒结聚来卉,正沧从比暇能方面迁是从JK谧力眸值=,rⅢ母虑.轴戗f^I为睇肜的薄壁简作为啦能缔掏较台迂尼)£址铡青蜓j}优势.扯相同条件r,嘲音的比吸能址打☆的I5倍.而fE溃山峰似H打打白的753%,参考女截:[1N】ⅦHR—1日udl§on/he『JIle㈣I".42{41:%一115d”…】%∽M8Ⅵnr……l2㈣WMeshEzMw"zⅥx"^ml。wI5ehaYior∽Ihl9wJl“fpIIon娟cIe“qd—rmsite恤pPd畔ⅢIukj.InIJItaly(IFw,2000M(4):335—40Ii3.Nj—s…udImpact[MjLmd%C4mbridgeUniversityj’怖19驸【41A^A^1曲nxllColJapBihleimpact…Vnln—w“dAmc'….曲m.*、辨2Bc”唧“∞概…r-【5^cMaⅡ■玑et■FinilrrI…mul州e,fh删mnⅢM…d叶taliicm—wdl^lluks*dth13】inw“JdSI…啉2003o。呻wd…“tIm【』J41-891—900【6棠14希,J。,目“#料%镕构∞能最Ⅸ№[M1』tm:*{I_km自+t2006【7*女W**蒋f雌镕构冲击【M]戚目Ⅷ…#日}j:‰{丁1994l8mJ…n,MI锄州hI)sHⅧ"州dE1r洲岬10…自11p…ⅢonL¨I_havioufJ…iofmmml㈣“e]umimumI㈨su510“1■hd。wlJl…lo脚Joum■“l“P叫E“目…m【9DK…“N¨"【h…E【…pl…k“wof…‘2004Ⅻ:973一Ifmlarcylindricalshellsunderaxialimpact[J].Int.J.SolidsandStruet.,2000,37:2005—2034.[10]DKal.agiozov8,NJones.Influenceof8t1%招8WaVesOilthedynamicplasticanddynamicprogressivebuildingofcylindricalshellstin・deraxialimpact[J].Int.J.SolidStruet.,2001。38:6723—6749.(上接第109页)软输出之间的均方误差最小。这样既利用了信源的性,又充分利用了已知扩频码的信息,从而提高r多用户检测器的性能。圈2BPSK调制时BER性能比较圈3QPSK调制时BER性能比较本文基于传统的多用户检测算法和分量分析算法,[作者简介】孟卓(1975一),女(汉族),陕西西安人,博士研究生,主要研究领域为飞行器设计及科学与工程的高性能计算研究。孙秦(1956一)。男(汉族),陕西省西安人,教授,博士研究生导师,主要研究领域为飞行器设计。参考文献:[1]SAbedi。RTafazolli.Geneticallymodifiedmuhiuserdetectionforcodedivisionmultipleav..co%systems[J].IEEEJournalonSelect-edAreasinCommunication.2002。20(2):463—473.[2]HaroldArtes,DeminkSeethaler,FranzHlawatsch.EfficientDe.删∞AlgorithmsforMIMOChannels:AGeometricalApproachtoApproximateMLDetection[J].IEEETnmsactionsOilsi酬Pro-ceasing,2003,51(11):216—228.[3]KSSchneider.Optimumdetectionofcodedivisionmultiplexedsignals[J].IEEETrans.Aeros.Electron.Syst,Jan.,1979,AES—15(I):181—185.[4]UMadhow,MMSEInterferenceSuppressionforDS—SpreadSpee・trumCDMA[J].IEEETtansonCommu1994。42(2):786—790.[5]PPate.AnalysisofaSimpleSuccessiveDS/CDMASystem[C].IEEEJSAC,1994,12(5):796—807.[6]TYang,JYuan.Performance0fMIMO—BICMwithparallelinter-forencecanceller011slowfadingchannels[J].ElectronicsLetters,2006,(26):986—990.[7]PengLing,ShaopengFeng,Chuan—gangZhao,WeilingWu.Higll—throughputhigh—performanceVBLAST—OFDMviaPⅫ'rierinterferometry[C].IEEEInternationalConferenceonElectroIn-formationTechnology,22—25May,2005.4.[8]AJBell,TJ两nowski.AnInformation—maximizationApproachtOBlindSeparationandBlindDeeonvohtion[J].NeuralComputa-tion,1995,7(6):1129—1159.[9]JFCardeso.InfomaxandMa菇mmLikelihoodforBlindSourcesep蝴Ili∞[J].IEEEsigllalProcessingLetters,1997,4(4):112一114.【10]Huvarinen.AFastandrobustfixed—pointnlgorithmBforinde-pendentcomponentanalysis[J].IEEETraus.NeuralNewyork,1999,10(3):1483—1492.【作者简介】周德祥(1972一),男(汉族),河南信阳人,硕士,讲师,主要研究方向为计算机应用技术。孙宜贵(1979一),男(汉族)。河南商丘人,讲师,硕f:。主要研究领域为模式识别、.NET技术应用。谭玉波(1971一),男(汉族)。山东潍坊人,博士,副教授,研究方向为计算机网络技术与流媒体。.-——329.-——5结论提出了MIMO—OFDM系统中两种改进的混合多用户检测器。分别把解相关和最小均方误差检测的结果作为独它分量分析算法的输入,提高了系统的检测性能。仿真结果表明,在理想的信噪比条件下,两种检测器的误码性能好于传统的检测器。