斜向载荷下多胞方管结构的压溃特性研究_李志超.pdf

􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈􀪈 􀪈 振 动 与 冲 击 第 ３９ 卷第 ２１ 期ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＳＨＯＣＫＶｏｌ． ３９ Ｎｏ．２１ ２０２０ 基金项目 国家自然科学基金资助项目（５１４７５１７１） 收稿日期 ２０１９ －０６ －１８ 修改稿收到日期 ２０１９ －０８ －０６ 第一作者 李志超 男，博士生，１９８７ 年生 通信作者 康英姿 女，博士，副教授，１９７０ 年生 斜向载荷下多胞方管结构的压溃特性研究 李志超１， 康英姿１， 甄 冉２， 李瑞龙２， 上官文斌１ （１． 华南理工大学 机械与汽车工程学院， 广州 ５１０６４０； ２． 山东美晨工业集团有限公司， 山东 潍坊 ２６２２００） 摘 要建立了计算多胞方管能量吸收特性的有限元模型，利用双胞管的轴向压溃变形试验验证有限元模型的准 确性。 利用建立的有限元模型，研究了在斜向加载下多胞方管结构的压溃特性，结果表明在大角度的斜向加载下，多胞 方管会发生全局弯曲，导致能量吸收能力的显著下降。 提出了分层多胞方管结构，在斜向加载下分层多胞方管结构有较 大的能量吸收能力和压溃力效率。 此外，在大角度的斜向加载下，分层多胞方管可以避免发生全局弯曲。 通过复杂比例 评价方法，评价了传统方管、多胞方管和分层多胞方管的斜向综合碰撞性能，确定了分层多胞方管 Ｌ５ 具有最优的斜向碰 撞性能。 关键词 能量吸收； 多胞薄壁方管； 斜向加载； 有限元分析 中图分类号 Ｕ４６７． １４ 文献标志码 ＡＤＯＩ１０． １３４６５／ ｊ． ｃｎｋｉ． ｊｖｓ． ２０２０． ２１． ０１３ Ｃｏｌｌａｐｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｏｂｌｉｑｕｅ ｌｏａｄ ＬＩ Ｚｈｉｃｈａｏ１， ＫＡＮＧ Ｙｉｎｇｚｉ１， ＺＨＥＮ Ｒａｎ２， ＬＩ Ｒｕｉｌｏｎｇ２， ＳＨＡＮＧＧＵＡＮ Ｗｅｎｂｉｎ１ （１． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４０， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｍｅｉｃｈｅｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ． ， Ｌｔｄ． ， Ｗｅｉｆａｎｇ ２６２２００， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ， ａｎｄ ａｘｉａｌ ｃｏｌｌａｐｓｅ ｔｅｓｔｓ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ⁃ｃｅｌｌ ｔｕｂｅｓ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｍｏｄｅｌ． Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｃｏｌｌａｐｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｏｂｌｉｑｕｅ ｌｏａｄ． Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃａｎ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｂｕｃｋｌｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｏｂｌｉｑｕｅ ｌｏａｄｓ ｗｉｔｈ ａｎｇｌｅｓ ｏｆ ２０ａｎｄ ３０ ｔｏ ｃａｕｓｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｒｏｐ ｏｆ ｉｔｓ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｙ． Ｔｈｕｓ， ａ ｌａｙｅｒｅｄ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｉｔ ｗａｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌａｙｅｒｅｄ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｈａｓ ａ ｌａｒｇｅｒ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｕｎｄｅｒ ｏｂｌｉｑｕｅ ｌｏａｄｉｎｇ； ｕｎｄｅｒ ｏｂｌｉｑｕｅ ｌｏａｄｓ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ ａｎｇｌｅｓ， ｉｔ ｃａｎ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｂｕｃｋｌｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ． Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ， ｏｂｌｉｑｕｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｉｍｐａｃｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅｓ， ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｏｎｅｓ ａｎｄ ｌａｙｅｒｅｄ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｏｎｅｓ ｗｅｒｅ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｌａｙｅｒｅｄ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅ Ｌ５ ｈａｖｉｎｇ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｏｂｌｉｑｕｅ ｉｍｐａｃｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ； ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅ； ｏｂｌｉｑｕｅ ｌｏａｄ； ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ 薄壁结构因具有高效的能量吸收能力被广泛应用 于汽车、轨道交通、航空航天等领域［１］。 传统薄壁结构 的种类较多，根据截面形状的不同分为圆管、方管、椭 圆形管等。 传统薄壁结构具有较好的吸能特性，但是 其吸收冲击能量的能力有限。 增加壁厚、改变结构尺 寸等可以在一定程度上提高薄壁结构的能量吸收能 力，但是也增加了初始峰值力和质量。 为了较大程度 地增加薄壁结构的能量吸收能力，多胞结构引起了广 泛的关注［２］。 在轴向加载下，与传统薄壁结构相比，在 质量相同的情况下多胞结构能够吸收更多的冲击 能量［３⁃４］。 在多胞结构斜向吸能特性的研究方面，Ｆａｎｇ 等［５⁃６］ 研究了多角度加载下传统方管与多胞方管的吸能特 性，并分析了胞的数量对吸能特性的影响。 Ｑｉｕ 等［７］对 多角度加载下六边形管、六边形双管和六边形多胞管 的吸能特性进行了对比分析。 Ａｚｉｍｉ 等［８⁃９］研究了多角 度加载下多边形多胞结构的压溃行为，并分析了结构 参数对吸能特性的影响。 上述研究表明，与传统薄壁 结构相比，在轴向和小角度斜向加载下多胞薄壁结构 具有更大的能量吸收能力。 但是，在大角度斜向加载 下，多胞结构更容易发生全局弯曲变形，且能量吸收能 力下降的幅度更大。 因此，本文的目的是提出一种新型多胞结构，它能 够抵抗发生全局弯曲变形，使结构在大角度斜向加载 下仍然具有很好的吸能特性。 １ 多胞方管与分层多胞方管薄壁结构 １． １ 多胞方管的截面形状 如图 １ 所示，传统方管（Ｍ１）的长度为 ２５０ ｍｍ，宽 度为 ８０ ｍｍ，壁厚为 ３ ｍｍ。 多胞方管（Ｍ２⁃Ｍ６）的长度 和宽度与 Ｍ１ 相同，且有相同的质量，但是有不同的壁 厚。 对于不同的多胞方管，包含传统方管个数不同，且 内部各方管的长度均为 ２５０ ｍｍ。 为了便于分析和讨 论，本文定义多胞方管的命名规则为“Ｍ”代表多胞方 管，数字表示在多胞方管中包含的方管个数。 例如Ｍ６ 表示有 ６ 个方管的多胞方管结构。 在薄壁结构的实际 设计中，材料的总使用量是非常重要的指标。 在保证 总质量不变的情况下，设计出具有更好吸能特性的薄 壁结构是研究的重要目标。 （ａ） Ｍ１ （ｂ） Ｍ３ （ｃ） Ｍ６ 图 １ 多胞方管的截面形状 Ｆｉｇ． １ Ｃｒｏｓｓ⁃ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｈａｐｅｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅｓ １． ２ 分层多胞方管的结构描述 如图 ２ 所示，分层多胞方管是由多胞方管改进后 得到的，它的截面形状与多胞方管相同。 主要区别在 于在分层多胞方管中，内部各方管的长度不同。 从分 层多胞方管的最外层到内部，各层方管的长度依次为 ２５０ ｍｍ、５ ２５０／６ ｍｍ、４ ２５０／６ ｍｍ、３ ２５０／６ ｍｍ、 ２ ２５０／６ ｍｍ 和 ２５０／６ ｍｍ。 定义分层多胞方管的命 名规则为“Ｌ”代表分层多胞方管，数字表示分层多胞 方管中包含的方管个数。 例如Ｌ３ 表示有 ３ 个方管的 分层多胞方管，从外部到内部，３ 个方管的轴向长度分 别为２５０ ｍｍ、５ ２５０／６ ｍｍ 和 ４ ２５０／６ ｍｍ。 分层多 胞方管有相同的质量，但是有不同的厚度和内部方管 个数。 （ａ） Ｍ１ （ｂ） Ｌ３ （ｃ） Ｌ６ 图 ２ 分层多胞方管的几何结构示意图 Ｆｉｇ． ２ Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｙｅｒｅｄ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｔｕｂｅｓ ２ 多胞结构的压溃特性 ２． １ 多胞方管的有限元模型与验证 多胞方管的材料是 ＡＬ６０６０⁃Ｔ４，其力学性能参数 为弹性模型 ７０ ０００ ＭＰａ，屈服应力 ７１ ＭＰａ，泊松比 ０． ３［１０］。 如图 ３ 所示，为多胞方管在不同加载角度下的 有限元边界条件，定义刚性墙的质量为 ６００ ｋｇ，冲击载 荷的初始速度为 １０ ｍ／ ｓ［１１］。 本文讨论加载角度为 １０ ～３０的范围内，多胞方管的动态吸能特性。 铝材料对 应变率是不敏感的，在模拟中应变率的影响可以忽略。 如图 ４ 所示，为模拟多胞方管斜向压溃特性的有 限元模型。 采用减缩积分的 Ｂｅｌｙｔｓｃｈｋｏ⁃Ｔｓａｙ ４ 节点壳 单元进行模拟。 在保证计算精度的情况下，选用 ２． ０ ２． ０ ｍｍ 的四边形网格。 采用 ＬＳ⁃ＤＹＮＡ 中的 ＭＡＴ ２４ 号材料模型表征铝材料的力学行为。 图 ３ 多胞方管结构的斜向加载有限元边界条件 Ｆｉｇ． ３ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｏｂｌｉｑｕｅ ｌｏａｄｉｎｇ 图 ４ 多胞薄壁方管的有限元模型 Ｆｉｇ． ４ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｔｕｂｅ 为了准确地模拟薄壁方管的压溃特性，采用单个 自接触模拟多胞薄壁方管的自接触，采用自动点对面 接触模拟刚性墙与多胞薄壁方管的接触。 动、静摩擦 因数均设为 ０． ２ 和 ０． ３。 为了验证多胞薄壁方管的有限元建模方法的正确 性，本文引用 Ｚｈａｎｇ 等［１２］的双胞薄壁结构轴向压溃试 验结果。 如图 ３ 所示，当加载角度 θ ＝ ０时，是轴向加 载。 如图 ５ 所示，为在准静态轴向加载下，双胞薄壁结 构轴向压溃变形的试验结果与计算结果。 由图 ５ 可 知，双胞薄壁结构以渐进折叠的变形模式吸收能量，计 算和试验获得的变形模式是一致的。 如图 ６ 所示为轴向加载下，试验和计算得到的双 胞薄壁结构的轴向压溃载荷⁃位移曲线。 表 １ 所示为轴 向加载下，试验和计算得到的初始峰值力（Ｆｍａｘ）和平均 ６９振 动 与 冲 击 ２０２０ 年第 ３９ 卷 （ａ） 试验结果 （ｂ） 计算结果 图 ５ 双胞薄壁结构的轴向压溃变形 Ｆｉｇ． ５ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ⁃ｃｅｌｌ ｔｕｂｅ ｕｎｄｅｒ ａｘｉａｌ ｌｏａｄｉｎｇ 力（Ｆｍｅａｎ）。 由图 ５、图 ６ 和表 １ 可知，本文所建立的有 限元模型能够准确地模拟多胞结构的压溃变形过程， 可用于后续斜向加载的研究。 图 ６ 双胞薄壁结构的轴向压溃载荷⁃位移曲线 Ｆｉｇ． ６ Ｆｏｒｃｅ⁃ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ⁃ｃｅｌｌ ｔｕｂｅ ｕｎｄｅｒ ａｘｉａｌ ｌｏａｄ 表 １ 试验值与计算值对比 Ｔａｂ． １ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ 试验结果／ ｋＮ计算结果／ ｋＮ误差／ ％ ＦｍａｘＦｍｅａｎＦｍａｘＦｍｅａｎＦｍａｘＦｍｅａｎ １９． ４９１０． ５２２０． １０１０． ８７３． １３３． ３３ ２． ２ 多胞方管与分层多胞方管的变形模式 ２． ２． １ 多胞方管 由表 ２ 可知，当加载角度为 １０时，多胞方管结构 以渐进折叠的变形模式吸收能量。 当加载角度为 ２０ 或 ３０时，传统方管（Ｍ１）发生了渐进折叠的变形模式， 而多胞方管均发生了全局弯曲。 随着多胞方管的胞数 增加，在加载端产生的折叠波瓣数减小，参与吸能的结 构材料减少。 ２． ２． ２ 分层多胞方管 由表 ３ 可知，当加载角度等于 １０或 ２０时，分层多 胞方管均发生了渐进折叠的变形模式。 说明在加载角 度为 １０或 ２０时，分层多胞方管都具有较好的能量吸 收能力。 当加载角度为 ３０时，除 Ｌ６ 发生了类似渐进 折叠的变形模式外，其余结构均发生了不同程度的全 局弯曲变形。 与多胞方管相比，在发生全局弯曲前分 层多胞方管中有大量的材料参与变形和吸能。 并且， 随着分层多胞方管的胞数增加，参与吸能的材料增加， 生成的折叠波瓣数增加。 表 ２ 斜向加载下传统方管与多胞方管的变形模式 Ｔａｂ． ２ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅ （Ｍ１） ａｎｄ ｍｕｌｔｉ⁃ ｃｅｌｌ ｏｎｅｓ （Ｍ３ ａｎｄ Ｍ６） ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ ｔｏ ｏｂｌｉｑｕｅ ｌｏａｄｉｎｇ 模型１０２０３０ Ｍ１ Ｍ３ Ｍ６ 对于多胞方管结构，沿管轴向方向结构的强度是 相同的。 斜向加载时，距离加载端越远的部分，受到的 弯矩载荷越大，越容易发生弯曲变形。 对于分层多胞 方管结构，沿管轴向方向结构的强度是逐渐增加的，且 随着分层多胞方管的层数增加，结构在加载端与固定 端的强度差增大。 斜向加载时，在固定端附近发生弯 曲变形需要的弯曲载荷增大。 分层多胞方管的设计思 想类似于等强度梁。 表 ３ 斜向加载下分层多胞方管的变形模式 Ｔａｂ． ３ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ｌａｙｅｒｅｄ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｔｕｂｅｓ （Ｌ３ ａｎｄ Ｌ６） ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ ｔｏ ｏｂｌｉｑｕｅ ｌｏａｄｉｎｇ 模型１０２０３０ Ｌ３ Ｌ６ ２． ３ 多胞方管与分层多胞方管的吸能特性 ２． ３． １ 多胞方管 如图 ７ 所示，为斜向加载下传统方管（Ｍ１）和多胞 方管（Ｍ３ 和 Ｍ６）的压溃力⁃位移曲线。 当加载角度为 １０时，相对于 Ｍ１， Ｍ３ 和 Ｍ６ 有更小的初始峰值力和 载荷幅值波动范围。 随着多胞方管的胞数增加，载荷 幅值波动范围减小。 当加载角度为 ３０时，Ｍ１ 仍然能 够承载较大的载荷，而 Ｍ３ 和 Ｍ６ 仅在某一范围内可以 承载较大的载荷，超过该范围承载能力急剧下降。 对 于 Ｍ３ 和 Ｍ６，载荷承载范围分别为 ０ ～ ６０ ｍｍ 和 ０ ～ ５０ ｍｍ。 由图 ８ 可知，相对于 Ｍ１，在小角度斜向加载下 （１０），多胞方管具有更小的初始峰值力、更大的能量 ７９第 ２１ 期李志超等 斜向载荷下多胞方管结构的压溃特性研究 （ａ） １０ （ｂ） ３０ 图 ７ 斜向加载下多胞方管的力⁃位移曲线 Ｆｉｇ． ７ Ｆｏｒｃｅ⁃ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅ （Ｍ１） ａｎｄ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｏｎｅｓ （Ｍ３ ａｎｄＭ６） ｕｎｄｅｒ ｏｂｌｉｑｕｅ ｌｏａｄｉｎｇ （ａ） 初始峰值力 （ｂ） 能量吸收能力 （ｃ） 压溃力效率 图 ８ 斜向加载下多胞方管的压溃特性 Ｆｉｇ． ８ Ｃｒｕｓｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ ｏｆ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅ （Ｍ１） ａｎｄ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｏｎｅｓ （Ｍ２ ｔｏ Ｍ６） ｕｎｄｅｒ ｏｂｌｉｑｕｅ ｌｏａｄｉｎｇ 吸收能力和压溃力效率，吸能特性更好。 并且，随着多 胞方管的胞数增加，吸能特性进一步地增加。 但是，在 大角度斜向加载下（２０和 ３０），多胞方管更容易发生 全局弯曲，导致能量吸收能力和压溃力效率均显著地 减小，甚至远不如 Ｍ１。 ２． ３． ２ 分层多胞方管 如图 ９ 所示，为不同加载角度下，传统方管（Ｍ１） 和分层多胞方管（Ｌ３ 和 Ｌ６）的力⁃位移曲线。 当加载角 度为 １０时，相对于 Ｍ１，Ｌ３ 和 Ｌ６ 具有更小的初始峰值 力。 在整个压溃变形过程中，分层多胞方管都具有较 大的载荷承载能力，而且载荷幅值的波动范围较小。 （ａ） １０ （ｂ） ３０ 图 ９ 斜向加载下分层多胞方管的力⁃位移曲线 Ｆｉｇ． ９ Ｆｏｒｃｅ⁃ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅ （ Ｍ１） ａｎｄ ｌａｙｅｒｅｄ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌｏｎｅｓ（ Ｌ３ａｎｄＬ６ ）ｔｕｂｅｓｕｎｄｅｒ ｏｂｌｉｑｕｅ ｌｏａｄｉｎｇ 当加载角度为 ３０时，对于 Ｌ３，载荷的承载范围为 ０ ～ １２０ ｍｍ，随后载荷承载能力快速下降。 对于 Ｌ６，整个 压溃变形过程中都具有较大的载荷承载能力。 由图 １０ 可知，相对于 Ｍ１，当加载角度为 １０和 ２０ 时，分层多胞方管有更小的初始峰值力、更大的能量吸 收能力和压溃力效率。 当加载角度为 ３０时，除 Ｌ２ 和 Ｌ３，其余分层多胞方管均具有更好的斜向吸能特性。 且随着分层多胞方管的胞数增加，结构的吸能特性增 加。 因此，本文提出的分层多胞方管结构，能够改善多 胞结构在大角度斜向加载下的能量吸收特性。 使多胞 结构在斜向加载下，均具有较好的吸能特性。 （ａ） 初始峰值力 （ｂ） 能量吸收能力 （ｃ） 压溃力效率 图 １０ 斜向加载下分层多胞方管的压溃特性 Ｆｉｇ． １０ Ｃｒｕｓｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ ｏｆ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅ （Ｍ１） ａｎｄ ｌａｙｅｒｅｄ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｏｎｅｓ （Ｌ２ ｔｏ Ｌ６） ｕｎｄｅｒ ｏｂｌｉｑｕｅ ｌｏａｄｉｎｇ ２． ４ 壁厚对多胞方管吸能特性的影响分析 ２． ４． １ 多胞方管 对于薄壁结构，厚度是影响其吸能特性的重要因 素。 为了说明不同壁厚的分层多胞方管同样具有非常 好的斜向吸能特性，本文选用了三种壁厚（２． ０ ｍｍ、２． ５ ｍｍ 和 ３． ０ ｍｍ）进行对比分析。 由图 １１ 可知，增加多胞方管的壁厚，初始峰值力 和能量吸收能力都显著增加。 对于三种壁厚，随着多 胞方管的胞数增加，初始峰值力和能量吸收能力都表 现出相似的规律。 因此，多胞方管的斜向压溃特性并 不会因为壁厚的改变而改变，壁厚改变的只是初始峰 值力和能量吸收能力的数值。 ２． ４． ２ 分层多胞方管 由图 １２ 可知，增加分层多胞方管的壁厚，初始峰 值力和能量吸收能力都显著增加。 对于三种壁厚，胞 数对分层多胞方管斜向压溃特性的影响相同。 在 １０ 斜向加载下，相对于 Ｍ１，分层多胞方管都具有更小的 初始峰值力、更大的能量吸收能力。 在 ３０斜向加载 下，除 Ｌ２ 和 Ｌ３ 外，其余分层多胞方管都具有更好的斜 向吸能特性。因此，相对于多胞方管，分层多胞方管能 ８９振 动 与 冲 击 ２０２０ 年第 ３９ 卷 （ａ） １０ （ｂ） ３０ 图 １１ 壁厚对多胞方管斜向压溃特性的影响 Ｆｉｇ． １１ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｗａｌｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｏｂｌｉｑｕｅ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｔｕｂｅｓ （ａ） １０ （ｂ） ３０ 图 １２ 壁厚对分层多胞方管斜向压溃特性的影响 Ｆｉｇ． １２ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｗａｌｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｏｂｌｉｑｕｅ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｌａｙｅｒｅｄ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｔｕｂｅｓ 够克服大角度斜向加载时发生全局弯曲的问题，改善 结构的吸能特性。 ３ 分层多胞方管的结构参数分析 ３． １ 确定最优综合性能分层多胞方管 复杂比例评价方法是一种综合评价方法，该方法 可以综合考虑不同性能指标、不同加载角度的影响，确 定最优的多胞方管类型。 由上述分析可知，对于不同的壁厚，多胞方管表现 出相同的斜向压溃特性。 因此，本文选用厚度为 ３ ｍｍ 的结构进行综合性能评价。 如表 ４ 所示，Ｑｉ是考虑不 同性能指标和加载角度时第 ｉ 中设计方案的综合性能 值，其值越大，表明相关设计方案越好；Ｕｉ是第 ｉ 种设 计方案的综合性能评分，得分越高，相关设计方案越 好。 由表 ４ 可知，Ｌ５ 具有最优的斜向综合碰撞性能。 表 ４ 斜向加载下传统单胞方管、多胞方管和分层多胞 方管的综合性能排名 Ｔａｂ． ４ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｒａｎｋｉｎｇ ｏｆ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅ， ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｌａｙｅｒｅｄｏｎｅｓｕｎｄｅｒ ｏｂｌｉｑｕｅ ｌｏａｄｉｎｇｓ 模型ＱｉＵｉ排名 Ｍ１０． ０８５ ９７４． ５７６ Ｍ２０． ０８８ ３７６． ６６５ Ｍ３０． ０８３ ３７２． ３３７ Ｍ４０． ０７５ ８６５． ８５９ Ｍ５０． ０７４ ９６５． ０８１０ Ｍ６０． ０７４ ４６４． ６４１１ Ｌ２０． ０８０ １６９． ５５８ Ｌ３０． ０９７ ６８４． ７８４ Ｌ４０． １０９ ７９５． ３０３ Ｌ５０． １１５ ２１００１ Ｌ６０． １１４ ８９９． ６６２ 如表 ５ 所示，为相对于 Ｍ１， Ｍ２ 和 Ｌ５ 在斜向碰撞 性能方面的改善程度。 由表 ５ 可知，尽管 Ｍ２ 的斜向综 合性能优于 Ｍ１，但是也不能保证在不同加载角度下 Ｍ２ 都具有更好的碰撞性能。 相对于 Ｍ１，Ｌ５ 的初始峰 值力均大幅度减小、压溃力效率和能量吸收能力均大 幅度增加。 综上所述，采用分层多胞方管结构可以有 效地改善结构的斜向综合性能。 表 ５ 相对于 Ｍ１， Ｍ２ 和 Ｌ５ 的斜向碰撞性能改善程度 Ｔａｂ． ５ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ ｏｂｌｉｑｕｅ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｆｏｒ Ｍ２ ａｎｄ Ｌ５ ｗｈｅｎ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ Ｍ１ 模型加载角度 相对 Ｍ１ 的变化／ ％ 初始峰值力总吸能压溃力效率 Ｍ２ １０－７． ２３９． ６０１８． １４ ２０－１６． ２９７． ３５２８． ２４ ３０４． ９４－１９． ２０－２３． ００ Ｌ５ １０－３９． ００１． ９１６７． ０７ ２０－３１． ３７２０． ３０７５． ２９ ３０－１２． ３６２３． ３７４０． ７７ ３． ２ 结构参数对吸能特性的影响分析 如图 １３ 所示，对于分层多胞方管 Ｌ５，影响其吸能 特性的主要参数有壁厚（ｔ１～ ｔ５）和长度差值（Ｒ）。 上 述参数的取值范围壁厚（ｔ１～ ｔ５）为 １ ～ ２ ｍｍ，长度差 值（Ｒ） 为 ０． ０６Ｌ ～ ０． ２２Ｌ（Ｌ 为多胞方管的长度 ２５０ ｍｍ）。 如表 ６ 所示，根据各因素的水平数，利用正交试 验设计方法设计了 １８ 组模拟计算方案。 如图 １４ 所示，为各层方管的壁厚（ｔ１～ ｔ５）和长度 差值（Ｒ）对 Ｌ５ 的吸能特性的影响。 由图１４（ａ）可知，Ｒ 对初始峰值力的影响最大，增加 Ｒ，初始峰值力显著减 小。 ｔ１～ ｔ５对初始峰值力的影响程度不如 Ｒ，增加壁 厚，初始峰值力增大。由图 １４（ｂ）可知，在两种加载角 ９９第 ２１ 期李志超等 斜向载荷下多胞方管结构的压溃特性研究 （ａ） （ｂ） 图 １３ 影响分层多胞方管压溃特性的主要结构参数 Ｆｉｇ． １３ Ｍａｉｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｌ５ 表 ６ 正交试验设计 Ｔａｂ． ６ Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄｅｓｉｇｎ 水平数 设计变量 Ｒｔ１ｔ２ｔ３ｔ４ｔ５ １０． ０６１１１１１ ２０． １４２２２２２ ３０． ２２ （ａ） １０ （ｂ） ３０ 图 １４ 结构参数对分层多胞方管 Ｌ５ 的吸能特性的影响 Ｆｉｇ． １４ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｏｂｌｉｑｕｅ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｌ５ 度下，增加 ｔ１～ ｔ５都可以提高结构的能量吸收能力，但 是影响程度不一样。 ｔ１对能量吸收能力的影响最大， 其次是 ｔ２、ｔ３、ｔ４和 ｔ５。 此外，Ｒ 对能量吸收能力的影响 也较大，但是在两种加载角度下，Ｒ 的影响不一样。 ４ 结 论 （１） 相对于多胞方管，在大角度斜向加载下（２０ 和 ３０），分层多胞方管仍然具有较大的能量吸收能力 和载荷承载能力。 即使发生了全局弯曲，在失效前分 层多胞方管仍然可以吸收大量的冲击能量。 且随着分 层多胞方管的胞数增加，发生全局弯曲前参与吸能的 材料和生成的波瓣数都增加。 （２） 利用复杂比例评价方法，确定分层多胞方管 Ｌ５ 具有最优的斜向综合性能。 相对于传统方管 Ｍ１，在 斜向加载下，分层多胞方管 Ｌ５ 具有更小的初始峰值 力、更大的能量吸收能力和压溃力效率。 （３） 通过结构参数分析可知，对于分层多胞方管 Ｌ５，影响其吸能特性的主要参数为各层方管的壁厚 （ｔ１～ ｔ５）和长度差值（Ｒ）。 ｔ１和 Ｒ 对 Ｌ５ 吸能特性的影 响最大，然后依次是 ｔ２、ｔ３、ｔ４和 ｔ５。 参 考 文 献 ［ １］ 张秧聪， 许平， 彭勇，等． 高速列车前端多胞吸能结构的 耐撞性优化［Ｊ］． 振动与冲击， ２０１７， ３６（１２）３１⁃３６． ＺＨＡＮＧ Ｙａｎｇｃｏｎｇ，ＸＵＰｉｎｇ，ＰＥＮＧＹｏｎｇ，ｅｔａｌ． Ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄ ｔｒａｉｎ ｆｒｏｎｔ ｍｕｌｔｉ⁃ ｃｅｌｌ ｅｎｅｒｇｙ⁃ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｈｏｃｋ， ２０１７， ３６（１２）３１⁃３６． ［ ２］ ＴＲＡＮ Ｔ Ｎ， ＢＡＲＯＵＴＡＪＩ Ａ． Ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ ｔｕｂｅｓ ｕｎｄｅｒ ａｘｉａｌ ａｎｄ ｏｂｌｉｑｕｅ ｉｍｐａｃｔ ｌｏａｄｉｎｇ ［ Ｊ ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｆａｉｌｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ， ２０１８， ９３ ２４１⁃２５６． ［ ３］ ＣＨＥＮ Ｓ， ＹＵ Ｈ， ＦＡＮＧ Ｊ． Ａ ｎｏｖｅｌ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｔｕｂａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｃｏｒｎｅｒｓ ｆｏｒ ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ ［ Ｊ］．Ｔｈｉｎ⁃Ｗａｌｌｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ， ２０１８， １２２ ３２９⁃３４３． ［ ４］ ＬＩ Ｗ， ＬＵＯ Ｙ， ＬＩ Ｍ， ｅｔ ａｌ．Ａ ｍｏｒｅ ｗｅｉｇｈｔ⁃ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｈｅｘａｇｏｎａｌｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌｔｕｂｕｌａｒａｂｓｏｒｂｅｒ ［ Ｊ ］． Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， ２０１８， １４０ ２４１⁃２４９． ［ ５］ ＦＡＮＧ Ｊ， ＧＡＯ Ｙ， ＳＵＮ Ｇ， ｅｔ ａｌ． Ｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｔｕｂｅｓ ｕｎｄｅｒ ａｘｉａｌ ａｎｄ ｏｂｌｉｑｕｅ ｉｍｐａｃｔ ｌｏａｄｓ［Ｊ］． Ｔｈｉｎ⁃Ｗａｌｌｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ， ２０１５， ９５ １１５⁃１２６． ［ ６］ ＺＯＵ Ｘ， ＧＡＯ Ｇ， ＤＯＮＧ Ｈ， ｅｔ ａｌ． Ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｐｔｉｍｉｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｅｓ ｕｎｄｅｒ ａｘｉａｌ ａｎｄｏｂｌｉｑｕｅｌｏａｄｓ ［ Ｊ ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆ Ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ， ２０１７， ２２（２）１２９⁃１４７． ［ ７］ ＱＩＵ Ｎ， ＧＡＯ Ｙ， ＦＡＮＧ Ｊ， ｅｔ ａｌ． Ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｃｏｌｕｍｎｓ ｕｎｄｅｒ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｌｏａｄｉｎｇ ｃａｓｅｓ［Ｊ］． Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ＆ Ｄｅｓｉｇｎ， ２０１５， １０４８９⁃１０１． ［ ８］ ＡＺＩＭＩ Ｍ Ｂ， ＡＳＧＡＲＩ Ｍ， ＳＡＬＡＲＩＰＯＯＲ Ｈ． Ａ ｎｅｗ ｈｏｍｏ⁃ ｐｏｌｙｇｏｎａｌｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｕｎｄｅｒａｘｉａｌａｎｄｏｂｌｉｑｕｅ ｉｍｐａｃｔｓ；ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｅｌｌｇｒｏｗｔｈｉｎ ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ［Ｊ］． Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ， ２０１９（６） １⁃１８． ［ ９］ ＰＩＲＭＯＨＡＭＭＡＤ Ｓ，ＮＩＫＫＨＡＨＨ．Ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｔｕｂａｌ ｃｏｌｕｍｎｓ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｗｉｔｈ ｓｅｖｅｒａｌ ｉｎｓｉｄｅ ｒｉｂｓ ｕｎｄｅｒ ａｘｉａｌ ａｎｄ ｏｂｌｉｑｕｅ ｉｍｐａｃｔ ｌｏａｄｓ［Ｊ］． Ｐｒｏｃ Ｉ Ｍｅｃｈ Ｅ， Ｐａｒｔ Ｄ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２０１８， ２３２ （３） ３６７⁃３８３． ［１０］ ＨＡＮＳＳＥＮ Ａ Ｇ， ＬＡＮＧＳＥＴＨ Ｍ， ＨＯＰＰＥＲＳＴＡＤ Ｏ Ｓ． Ｓｔａｔｉｃ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｏｆ ｓｑｕａｒｅ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｆｏａｍ ｆｉｌｌｅｒ ［ Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｍｐａｃｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２０００， ２４（４） ３４７⁃３８３． ［１１］ ＹＩＮＧ Ｌ，ＤＡＩＭ，ＺＨＡＮＧＳ，ｅｔａｌ．Ｍｕｌｔｉｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｎ⁃ｗａｌｌｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙ ｇｒａｄｅｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｕｎｄｅｒ ｏｂｌｉｑｕｅ ｉｍｐａｃｔ ｌｏａｄｉｎｇ［Ｊ］． Ｔｈｉｎ⁃Ｗａｌｌｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ， ２０１７， １１７ １６５⁃１７７． ［１２］ ＺＨＡＮＧ Ｘ， ＺＨＡＮＧ Ｈ． Ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｅｌｌ ｓｔｕｂ ｃｏｌｕｍｎｓｕｎｄｅｒａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ［ Ｊ ］．Ｔｈｉｎ⁃Ｗａｌｌｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ， ２０１３， ６８１５６⁃１６３． ００１振 动 与 冲 击 ２０２０ 年第 ３９ 卷