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《彈塑性力學小論文》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、能量吸收引言隨著社會的進步，各個領域?qū)Ψ雷o結構和安全設施的設計和應用提出了越來越高的耍求，近年來更是加強了對用于耗散能量的吸能材料和能量吸收結構的研宄和開發(fā)。能量吸收結構的應用極為廣泛，如高速公路的護欄、滾石區(qū)的金屬防護網(wǎng)、自行車頭盔、防彈背心、包裝泡沫等。1.能量吸收的一般原理通過結構和材料變形所實現(xiàn)的能量轉換是不可逆的，即材料和結構一般能吸收大部分的輸入能量，而不是以彈性方式將之儲存。尤其是對于動能，如果初始動能轉化為結構的彈性應變能，那么當結構達到它的最大變形后，彈性應變能將會以回彈的形式完全釋放出來，隨之將引起二次傷害，如汽車的碰撞過程
2、。因此,能量吸收結構要求能量轉換一定是非彈性、不可逆的。在眾多的不可逆能量轉換形式（塑形耗散、粘性變形、摩擦、斷裂）中，對于結構和材料的變形，塑形變形所引起的能量吸收是很有效的機制，具有最廣泛的實用價值。在大變形過程中（如沖擊碰撞），結構和材料既要能提供足夠的能量吸收能力，還要使得峰值力要低于引起損傷的閾值，反作用力應當是幾乎恒定的，以避免過高的減速速率。此外，力所做的功也是必須考慮的。要使得功較大，就需要力的行程較長，所以足夠長的行程才能吸收更多的能量。除考慮上述因素外，還需考慮動能的耗散過程，如汽車碰撞、船撞擊橋墩。給定初始動能，時間越長，
3、反力就越小，工程實際中便引入“以時間換距離”的概念，即將反力的作用時間從可能地延長，以使得制動力更加柔和，從而降低損傷。在工程中，為應付不確定的工作載荷，所設計結構的變形模式和能量吸收能力應當是穩(wěn)定和可重復的，以確保結構在復雜條件下工作的可靠性。能量吸收元件應當質(zhì)量輕，具有較高的比能量吸收率，這一點對于重量控制嚴格的設備尤為重要。工程結構要求其自身能夠吸能，同時又不能太重，否則增加了自重，那對結構設計又是一個極人的考驗。由此而發(fā)展出的一些新型材料則非常有價值，如多胞材料，其重量輕，比剛度、比強度和其他比機械性能都比傳統(tǒng)的材料有優(yōu)勢。2.能量吸收
4、能力分析工程塑形力學是高度發(fā)展的學科，可以廣泛地用來分析和預測初性材料制成的能量吸收結構的塑形變形行為。但是，分析能量吸收結構的目的和研究方法又都與傳統(tǒng)的承載結構有區(qū)別。如對于采用理想剛塑形模型的動力分析，當用于能量吸收0的吋，材料、構件和裝置?一般要經(jīng)歷塑形大變形。但根據(jù)經(jīng)典塑形理論，如果在載荷作用下，材料的強化效應和結構的幾何改變可以忽略，則對于理想剛塑形模型，存在關于極限載荷的界限定理，即上下限定理仍然適用。結構在發(fā)生大變形時，有兩個方而的影響比較重要。第一個是結構的構型改變效應，即不能繼續(xù)參照初始構型建立控制方程和分析問題。其次，人變形
5、后在結構的平衡方程和屈服條件中會引入軸力或膜力的影響。比如在分析梁的時候，如果梁的軸向有約束條件限制，則橫向變形會引起軸力，與只考慮彎曲變形的無軸向約束梁相比，軸力的作用效果是減少梁的最終變形，也是一定程度上強化了結構，提升了結構的能量吸收能力。再如在板的分析中，如果板的變形比較大，其撓度已經(jīng)大于其厚度，則沿著板方向的膜力會對板起顯著加強作用，使得板的承載能力隨著變形的增加而迅速增加。因此，如果設計一個能量吸收結構，最好能讓軸力或者膜力也參與能量吸收，這樣比單純利用彎曲變心吸收能量的效率更高，當然，軸力或膜力也不能過大而導致新的失效模式。在動力
6、分析中，結構的動載荷效應包括波的效應、應變率效應以及慣性效應等。具體表現(xiàn)在：在動載荷作用區(qū)，塑形壓縮波引起的高應力可能導致局部塑形破壞；碰撞等動態(tài)過程產(chǎn)生的彈性壓縮波到達結構遠端時會發(fā)生反射，若該表面是自由的，反射回來的拉伸波可能造成脆性材料的層裂或者剝落；若彈性壓縮波到達的遠端為固定邊界，反射的波具有雙倍的壓應力效應，有可能己經(jīng)超過了塑形屈服應變，而造成遠端首先發(fā)生塑形變形和能量耗散；波的彌散效應會以很復雜的形式影響能量耗散。另外，構件白身的慣性效應會使得變形機構和能量吸收能力發(fā)生明顯的改變，比如：構件的動態(tài)承載能力與靜態(tài)承載能力明顯不同，如
7、自由梁在沒有靜態(tài)承載能力時卻可以承受動態(tài)載荷；動態(tài)變形機構與靜態(tài)破損機構不同，而且可能隨作用力的數(shù)值而變化；塑形能量耗散與輸入能量之比可能隨作用力的大小非單調(diào)地變化。在分析結構的變形和能量吸收能力時，能量法是十分有效的。另外，能量吸收結構屮受動載荷作用時，經(jīng)常發(fā)生接觸和碰撞，這就需要建立適當?shù)慕佑|模型，才能合理地表征能量在物體之間的傳遞，常用的模型有基于彈性體的法向接觸的Hertz理論和Winkler地基模型。1.典型的能量吸收結構和材料常見的能量吸收結構有圓環(huán)、圓管、方管等。這里簡要介紹一種失效模式:圓管的軸向失效模式。薄壁圓管軸向壓潰時，蘇
8、失效模式可能是軸對稱或者非軸對稱的，主要取決于直徑與厚度之比。軸對稱模式通常稱為圓環(huán)模式，當圓管發(fā)生軸對稱壓潰時，軸力先達到一個峰值，然后急劇下降，然
