具有刚度梯度折纹管能量吸收
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ＴＩＡＮ ＸｉａｏＧｅｎｇ
( Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓꎬ Ｘｉ’ ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ
Ｘｉ’ ａｎ ７１００４９ꎬ Ｃｈｉｎａ)
摘要 为了解决传统薄壁方管在遭受冲击时最大峰值力大且吸能效率低等问题ꎬ通过在方管表面引入折痕ꎬ提出了
ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｓｔａｎｄａｒｄ ｓｅｇｍｅｎｔｓ Ｍꎬｃ / ｌꎬａｎｄ ｂ / ｔ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅ￣ｆｏｌｄｅｄ ｔｕｂｅꎬ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅ￣ｆｏｌｄｅｄ ｔｕｂｅ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅ￣ｆｏｌｄｅｄ ｔｕｂｅ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄꎬ ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ
ｆｏｒ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ.
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｐｒｅ￣ｆｏｌｄｅｄ ｔｕｂｅꎻ Ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎꎻ Ｓｔｉｆｆ ｇｒａｄｉｅｎｔ
Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ: ＴＩＡＮ ＸｉａｏＧｅｎｇꎬ Ｅ￣ｍａｉｌ: ｔｉａｎｓｕ＠ ｍａｉｌ.ｘｊｔｕ.ｅｄｕ.ｃｎꎬ Ｔｅｌ:＋８６￣２９￣８２６６５４２０
出行的同时ꎬ交通事故不可避免会发生ꎬ给人们生命和
财产造成巨大的损失ꎮ 通常ꎬ为了保护乘客的生命安
全ꎬ会在汽车端部安装专门的能量吸收装置ꎮ 薄壁结
构因其具有质量轻、吸能效果好等优点ꎬ已经被广泛的
应用于汽车结构中ꎬ其中最常见的是圆管和方管 [１￣２] ꎮ
但是方管和圆管受到冲击时吸收能量少、最大峰值力
( Ｐ ｍａｘ ) 较高ꎬ吸能效果不佳ꎮ
ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅｓ ｄｕｒｉｎｇ ｉｍｐａｃｔꎬ ｔｈｅ ｏｃｔａｇｏｎａｌ ｐｒｅ￣ｆｏｌｄｅｄ ｔｕｂｅ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ ｃｒｅａｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅｓ. Ｔｈｅ
ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＢＡＱＵＳ / Ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｑｕａｓｉ￣ｓｔａｔｉｃ
纹管的标准段个数 Ｍ、ｃ / ｌ 和 ｂ / ｔ 等参数对吸能性能影响的研究ꎬ获得了提高折纹管吸能性能的优化折纹管结构ꎬ为汽车
吸能构件的应用提供了参考ꎮ
关键词 预折纹管 能量吸收 刚度梯度
中图分类号 Ｏ３４７
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｅａｋ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｔｈｉｎ￣ｗａｌｌｅｄ
Ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ( Ｎｏ.１１７３２００７)
Ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ２０１９１２２３ꎬｉｎ ｒｅｖｉｓｅｄ ｆｏｒｍ ２０２００１０９.
引言
随着科技和经济的发展ꎬ汽车极大的方便了人们
具有刚度梯度折纹管能量吸收 ∗
ＥＮＥＲＧＹ ＡＢＳＯＲＰＴＩＯＮ ＯＦ ＰＲＥ￣ＦＯＬＤＥＤ ＴＵＢＥ
ＷＩＴＨ ＳＴＩＦＦＮＥＳＳ ＧＲＡＤＩＥＮＴ
门 恒 ∗∗ 陈伟东 田晓耕 ∗∗∗
( 西安交通大学 机械结构强度与振动国家重点实验室ꎬ 西安 ７１００４９)
ＭＥＮ Ｈｅｎｇ
ＣＨＥＮ ＷｅｉＤｏｎｇ
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பைடு நூலகம்
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ
２０２１ꎬ ４３(３) :６５１￣６５９
ＤＯＩ: １０ １６５７９ / ｊ.ｉｓｓｎ.１００１ ９６６９ ２０２１ ０３ ０２１
ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔꎬ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅꎬ ｔｈｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒｅａｓｅ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｅａｋ ｆｏｒｃｅ
Ｐ ｍａｘ ꎬ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｔｈｅ ｍｅａｎ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｆｏｒｃｅ Ｐ ｍ ꎬ ａｎｄ ｆｏｒｍｓ ｔｈｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｃｒｅａｓｅ ｔｕｂｅꎬ ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｓｍａｌｌ ｃｒｕｓｈ ｆｏｒｃｅ ｉｎ
ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｓｔａｇｅ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎꎬ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ ｔｏ ｐｒｏｔｅｃｔ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ. Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎꎬ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ
ｆｏｒｃｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｌｄｅｄ ｔｕｂｅ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ
等
[３]
降低 Ｐ ｍａｘ 的 常 见 做 法 是 引 入 几 何 缺 陷ꎬ Ｓｏｎｇ Ｊｉｅ
一种八边形折纹管ꎮ 应用有限元软件 Ａｂａｑｕｓ / Ｅｘｐｌｉｃｉｔ 模拟了其在准静态压缩下的变形模式和吸能情况ꎮ 结果表明ꎬ相
较于普通方管ꎬ折纹的引入降低了最大峰值力 Ｐ ｍａｘ ꎬ提高了平均压溃力 Ｐ ｍ ꎬ且形成了刚度梯度折纹管ꎬ使得在压缩前期
产生较小的支反力ꎬ有利于保护主结构ꎮ 随着压缩量的增大ꎬ支反力随之增大ꎬ从而提高折纹管的吸能性能ꎮ 通过对折