浅谈不同管状和材料对结构能量吸收性能的影响

　　近年来，频繁的汽车碰撞、大型船舶撞击以及飞机或航天器的紧急着陆等，这些事故不仅造成了巨大的经济损失，还对乘员的生命安全构成严重的威胁。为了保护乘员安全和降低结构的损毁程度，许多学者对能量吸收装置进行了大量的研发，其中尤以管状结构在能量吸收装置中的应用最为广泛。近20年来，人们对各种管件的能量吸收性能做了详细的分析，如圆管、方管、多角形薄壁管、预制图案的管、开窗的管、沿轴向呈锥形的管等等。
　　表征各类管件结构的能量吸收性能的因素很多。首先，平均压缩力对管件的能量吸收性能有着至关重要的作用。平均压缩力代表了结构的承载能力，其大小和压缩位移共同决定了整个结构的能量吸收能力。始于Alexander的多位研究者提出了轴向压缩下圆管和方管的理论分析模型，给出了平均压缩力的理论预测公式。同时，单位重量的能量吸收能力是比较实际结构的能量吸收能力的另一个重要指标，它对于需要限制重量的能量吸收元件尤为重要，但目前对于单位重量的能量吸收能力的计算方式尚没有统一的标准。
　　由于上述各评价参数仅仅停留在个别材料或管件比较的层面上，因此希望能够提出一套具有普遍适用性的评估指标体系，用来评价和比较各类管件的能量吸收性能，进而为能量吸收装置的优化设计提供参考。
　　笔者介绍了有效行程比（EffectiveStrokeRatio，ESR）、结构承载能力（NondimensionalLoadcarryingCapacity，NLC）单位重量的能量吸收能力（SpecificEnergyAbsorption，SEA）、吸能有效率（EffectivenessofEnergyAbsorption，EEA）和载荷波动度（UndulationofLoadcarryingCapacity，ULC）5项评估指标，并用这套评估指标体系全面分析和比较了轴向压缩下铝合金和低碳钢2种材料的圆管和方管的能量吸收性能。
　　1评估指标体系
　　对于轴向压缩下的薄壁金属管件，渐进压溃的薄壁管件的承载会呈现出3个明显的阶段：初始屈曲阶段、平台阶段、压实阶段。初始屈曲阶段存在初始峰值载荷；在平台阶段中载荷大体平稳，但随着管的渐进屈曲会呈现出显著的波动；压实阶段则表现为载荷迅速增加。
　　值得指出的是，过去由于对由平台阶段到压实阶段的过渡点缺乏统一和明确的定义，许多文献在确定有效压缩行程和计算相应的平均载荷时常常带有随意性，例如有效压缩行程有的取值为0。7，有的取为0。8等等，这种情况也给不同文献的结果比较带来了困难。现在我们给出了有效压缩行程的明确定义，增强了客观性和确定性，为下一步建立评估指标体系奠定了基础。
　　2管件的能量吸收性能分析根据轴向压缩下的管件的实验数据和近似理论模型的预测，评价指标下的能我们分析和比较各类管件在各个量吸收能力。
　　3结论
　　根据能量吸收装置的设计要求，提出了一个较为全面的能量吸收评估指标体系，它包含有效行程比、结构承载能力、单位重量的能量吸收能力、吸能有效率和载荷波动度。为了比较实验结果与理论结果的一致性，将铝圆管的NLC，SEA和EEA的实验结果与理论模型进行了比较，结果表明各个评估指标随管件密实度的变化趋势与理论结果相一致，但实验值均略高于理论结果。
　　另外，为了比较和分析截面对管件能量吸收能力的影响，给出了圆管和方管的各个评估指标随密实度变化曲线，结果表明，除了载荷波动度外圆管的能量吸收能力均优于方管。同时，为了比较和分析材料对管件能量吸收能力的影响，从各个评估指标随密实度的变化曲线发现，就有效行程比、结构承载能力和吸能有效率而言，材料对管件的能量吸收性能影响不大，但对单位重量的能量吸收能力和载荷波动度，铝合金管件的能量吸收能力和载荷波动程度要优于低碳钢管件。
　　显然，这些评估指标可以用于评估各类能量吸收结构和材料的能量吸收性能，包括多胞材料，从而为能量吸收装置的优化设计提供了参考。