矿用防冲折纹筒屈曲吸能特性影响研究.pdf

第3 7 卷第1 3 期 振动与冲击 J O U R N A LO FV I B R A T I O NA N DS H O C K V 0 1 ．3 7N o ．1 32 0 1 8 矿用防冲折纹筒屈曲吸能特性影响研究 郝志勇1 ，王率领1 ，潘一山2 1 ．辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新1 2 3 0 0 0 ；2 ．辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新1 2 3 0 0 0 摘要为提高防冲液压立柱抗冲击性能，设计折纹筒吸能构件并应用于立柱支护结构中。采用数值模拟与实验 研究相结合的方法，研究防冲折纹筒结构屈曲吸能特性。模拟结果表明，折纹筒在压缩变形过程中能够按照预折纹的引 导来进行屈曲变形，变形效果理想且对称稳定；对折纹筒结构进行准静态压缩实验，获取不同实验条件下构件压缩形态， 得到各个试件力．位移一能量曲线。分析实验结果发现选用Q 7 6 0 钢材以冷压处理加工，进行压缩实验时试件有局部开裂 现象且达不到预期吸能值；采用H G 7 0 D 钢材并以热压与热处理加工，试件未发生任何钢板开裂，说明材质与加工工艺改 善了折纹筒钢板均质性，并消除了内部残余应力，提高了构件稳定性。 关键词折纹筒；材质；a n 工工艺；准静态压缩实验；吸能量 中图分类号T D 4 2 1文献标志码A D O I 1 0 ．1 3 4 6 5 ／j ．c n k i ．j V S ．2 0 1 8 ．1 3 ．0 2 2 A n t i - i m p a c tf o l d i n gb a r r e l s ’b u c M i n ge n e r g ya b s o r b i n gc h a r a c t e r i s t i c s H A O Z h i y o n 9 1 ，W A N GS h u a i l i n 9 1 ，P A NY i s h a n 2 1 ．S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，F u x i n1 2 3 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，F u x i n1 2 3 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt o i m p r o v et h ei m p a c tr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo f a na n t i - i m p a c th y d r a u l i cc o l u m n ，af o l d i n g b a r r e le n e r g ya b s o r b i n gc o m p o n e n tw a sd e s i g n e da n da p p l i e di nt h ec o l u m n ’Ss u p p o r t i n gs t r u c t u r e ．Am e t h o dc o m b i n i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt e s t sw a su s e dt os t u d yb u c k l i n ge n e r g ya b s o r b i n gc h a r a c t e r i s t i c so faf o l d i n gb a r r e l ．S i m u l a t i o n r e s u h ss h o w e dt h a tt h ef o l d i n gb a r r e li ni t sc o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o np r o c e s sc a np r o d u c eb u c k l i n gd e f o r m a t i o na c c o r d i n gt o t h eg u i d eo ft h ep r e - b u c k l i n g ，t h ed e f o r m a t i o ne f f e c ti s i d e a l ，s y m m e t r i c a la n ds t a b l e ．T h eq u a s i s t a t i cc o m p r e s s i o nt e s t s w e r ed o n ef o rf o l d i n gb a r r e l st og e tt h e i rc o m p r e s s i o ns h a p e su n d e rd i f f e r e n tt e s tc o n d i t i o n s ，t h ef o r c e d i s p l a c e m e n t e n e r g y c u r v eo fe a c hs p e c i m e nw a so b t a i n e d ．T e s tr e s u l t ss h o w e dt h a ti fQ 7 6 0s t e e li sc o l dp r e s s e dp r o c e s s e d ，w h e nt h e c o m p r e s s i o nt e s tw a sd o n ef o rt h es p e c i m e nm a d ew i t hi t ，t h es p e c i m e nh a sal o c a lc r a c k i n gp h e n o m e n o na n dc a n ’tr e a c h t h ee x p e c t e de n e r g ya b s o r p t i o nv a l u e ；i fH G 7 0 Ds t e e li s p r o c e s s e dw i t hh o tp r e s s i n ga n dh e a tt r e a t m e n t ，w h e nt h e c o m p r e s s i o nt e s tw a sd o n ef o rt h es p e c i m e nm a d ew i t hi t ，t h e r ei sn oc r a c k i n gi na n ys t e e lp l a t eo ft h es p e c i m e n ，S Ot h e m a t e r i a la n dm a c h i n i n gp r o c e s s i n gt e c h n i q u e sa m e l i o r a t ef o l d i n gb a r r e l s ’s t e e lp l a t eh o m o g e n e i t y ，a n de l i m i n a t ei n t e r n a l r e s i d u a ls t r e s s e s ，a n di m p r o v et h e i rs t a b i l i t y ． K e yw o r d s f o l d i n gb a r r e l ；m a t e r i a l ；p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ；q u a s i s t a t i cc o m p r e s s i o nt e s t ；e n e r g ya b s o r p t i o n 冲击地压作为煤矿开采过程中的重大动力灾害之 一，发生时破坏性极强，对井下支护设备影响严重，会 造成支护设施严重损坏而失去支护功能，导致煤岩和 支护体系失稳‘1 ‘3 1 ，进而影响矿井安全开采。液压立柱 基金项目2 0 1 7 年国家重点研发计划项目 2 0 1 7 Y F C 0 8 0 4 - 2 0 8 ；国家自 然科学基金面上项目 5 1 4 0 4 1 3 5 ；5 1 6 7 4 1 3 3 收稿日期2 0 1 7 0 9 2 5 修改稿收到日期2 0 1 7 1 2 2 6 第一作者郝志勇男，博士，副教授，1 9 7 9 年生 通信作者王率领男，研究生，1 9 9 5 年生 是支架的关键部件，冲击地压发生时，如果液压支架安 全阀未能及时快速打开，会导致立柱弯曲、爆缸等。因 此，研制抗冲击性能高的液压立柱是亟待解决的工程 问题。 唐治等H 1 较早提出并研制防冲吸能构件，将其与 现有支架立柱结合使用形成新的支护设备，大幅度提 高支护体系强度，当支护体系受到外界冲击载荷作用 时可通过自身抗压强度与结构让位，吸收部分冲击能 量。刘军等Mo 提出刚柔一体化吸能支护方法，能有效 万方数据 1 4 2 振动与冲击2 0 1 8 年第3 7 卷 吸收能量和释放应力，提高了人员安全性与支护稳 定性。 在吸能构件加工工艺与材质选择方面，先是出现 泡沫铝、镁等泡沫金属材料，随后出现了吸能效果较好 的泡沫陶瓷、泡沫混凝土等高分子材料哺】。张涛等“ 】 对比分析泡沫铝填充薄壁结构中单帽、双帽、圆形和正 六边形截面吸能模型，从截面形式、冲击速度、薄壳材 料等方面研究吸能影响因素。桂良进等哺1 对泡沫材料 填充圆管进行了轴向压缩吸能特性研究，测试分析几 何参数、材料参数对薄壁圆管吸能特性的影响，近年 来，矿用吸能构件的研究与使用开始出现，潘一山 等旧。1 叫设计折棱管、方形折纹薄壁装置等吸能构件，利 用数值模拟软件对构件进行分析，并通过实验得到准 确的承载力与能量吸收数据。 为改善构件吸能效果，在材料选择时，不仅要考虑 材料自身硬度与脆性，而且要合理确定加工工艺。采 用冷压加工可消减淬火残余应力，改善材料组织性能、 减少原材料消耗⋯d 引。热压加工可通过设定热压温 度、热压时间与热压压力控制加工时材料纤维方向，提 升材料性能3 。1 4J 。本文选用Q 7 6 0 与H G 7 0 D 两种材 料，分别采用冷压加工与热压 热处理加工方法制成 折纹筒结构，通过分析折纹筒在不同实验条件下的力． 位移．能量曲线以及两组实验数据，研究折纹筒屈曲吸 能特性。并利用吸能指标对构件吸能效果与稳定性进 行评价，同时针对第一组实验中试件出现的破裂、断口 等现象，对第二组实验进行改进，从而提高折纹筒吸能 效果与稳定性，进一步提升整套支护体系缓冲吸能 能力。 1 折纹筒屈曲吸能特性模拟研究 1 ．1 折纹筒吸能评价指标 折纹筒所受外界载荷超过其初始承载力时，会发 生不同程度塑性变形，载荷持续增大会使其处于压溃 状态，折纹筒在压缩过程中的吸能性能，可通过以下几 个指标进行评价5 I ①最大承载力F 。舡，平均承载力 F 。，；②吸能量E 。、单位体积能量吸收量职和吸能效率 r ／；③载荷波动系数△；④比吸能S E A ；⑤比值系数疋。 1 承载力计算 F 。。表示了构折纹筒最大承载力，即反映了初始过 载或最大过载情况，其数值可通过折纹筒的力．位移曲 线得到。平均承载力F 。，由折纹筒压缩变形位移s 时所 受载荷F s 积分除以有效变形让位行程抗得到。 2 吸能计算 折纹筒吸能构件压缩过程中，外界载荷主要作用 在其顶部与底部两个平面区域，逐渐向折纹筒中心传 递，随着载荷的加大会发生屈曲变形，由于构件自身材 料结构影响，外界对其输入能量会以摩擦、变形发热等 形式损失，故用E 形、叼等对构件吸能能力进行评价。 其中田计算公式用式 1 表示 r，、． 职上盯㈩d s ⋯ 叼一石一‘ ■ u ， 式中占为应变最大值；t r s 为压缩应力；盯一为达到占 前的最大压缩应力。 3 载荷波动系数计算 载荷波动系数表征了压力施加过程中折纹筒缓冲 吸能的平稳性，越趋近于1 吸能效果越好，用式 2 表示 △ 铲 丁} 2 1 “ JF s d s 0 5J0 4 比吸能计算 比吸能S E A 是指折纹筒吸能构件在压缩最距离内 单位质量所吸收的能量。 5 比值系数计算 比值系数疋表示在准静态压缩实验时构件设定值 与实验结果比值，反映了构件本身吸能能力相对于设 定值的接近程度，数值越接近1 ，则吸能效果越好，用式 3 表示 X 面X i 3 式中X 为各参量设定值，包括承载力、平均承载力、 吸能量、压缩量、载荷波动系数、比吸能等；鲫i 为各参 量实验结果平均值。 1 ．2 折纹简屈曲特性分析 本文设计一种正四边形端口折纹筒，如图1 所示， 实线表示塑性铰线，圆点表示塑性铰点。该折纹筒在 受到外界轴向冲击载荷时会按照预设折纹来引导整体 屈曲变形，使变形形态稳定、可控，实现预期缓冲吸能 功能，此过程为塑性变形阶段，在后续载荷作用下，塑 性铰线在梯形板块平面上扫过，并推动塑性铰点沿凸 折纹 虚线 移动，从而实现折纹筒整体大幅度屈曲变 形，使材料能量吸收率增高。其中，折纹筒每一节中上 下相邻两个等腰三角形板块形成为圆管钻石模式，上 下相邻的梯形板块形成方管对称渐进折叠模式，因此， 一节折纹筒即构成了四个超级折叠单元。通过设定折 图1双节正四边形端口折纹筒 F i g ．1 D o u b l eq u a d r a n g l ef o l d i n gb a r r e lp o r t 万方数据 第1 3 期 郝志勇等矿用防冲折纹筒屈曲吸能特性影响研究 1 4 3 纹筒端口边数、板块倾角、壁厚、边长等几何参数，同时 选定不同屈服强度、极限强度以及延伸率等力学性能 的板材，能够确定折纹筒承载力 屈服临界值 、屈曲变 形形态、稳定性和吸能能力。 1 ．3 折纹筒屈曲吸能数值模拟 基于A b a q u s 有限元数值分析软件，对双节正四边 形端口折纹筒在轴向冲击作用下的屈曲变形过程进行 模拟分析，求得全程反作用力变化和能量吸收情况。 如图2 所示，建模参数设置如下①折纹筒规格高度h 3 5 2m m ，壁厚t 8m m ，质量m 1 5 ．2k g ；②材料力 学性能E 2 1 0G P a ，y 0 ．3 5 ，o r 。 7 2 0M P a ，o r h 7 9 5 M P a ，占 1 8 ％；③单元类型s h e l l ；④边界条件下端完 全固定，上端在x , y 方向实施约束；⑤加载条件采用 刚性板以秽 5m ／s 的速度向下冲压 未考虑材料应变 率 ；⑥压缩量A h 2 0 0m m 。 图2 双节折纹筒模拟结果 F i g ．2 D o u b l ef o l d i n gb a r r e ls i m u l a t i o nr e s u l t s 图2 为折纹筒屈曲变形的五个代表性阶段，依次 为 a 弹性变形阶段、 b 上下节同步屈服阶段、 c 上节屈曲变形阶段、 d 下节屈曲变形阶段、 e 上下 节压密阶段。图3 为折纹筒屈曲全程载荷比变化曲线 与比吸能曲线，该曲线大致可以分为四个阶段。下面 结合图2 ，对折纹筒载荷比变化和比吸能曲线的四个阶 段进行分析。 1 第一阶段为线性上升阶段。折纹筒完全处于 弹性变形阶段，如图2 a 所示，折纹筒中较高应力主要 集中于折线部位。此时，折纹筒反作用力几乎呈线性 上升态势。在图3 中，这个阶段的反力曲线斜率达8 ．5 1 0 8N ／m ，至压缩位移2 ．9 9m m 时反力第一次达到峰 值，分析计算可得出屈服临界值25 4 0k N ，此时折纹筒 大部分折线部位应力达到屈服值，折纹筒结构即将进 入塑性变形阶段。 2 第二阶段为指数式下降阶段。折纹筒上下节 开始同步屈服变形，如图2 b 所示，折纹筒斜折线附 近普遍进入塑性阶段，上下节应力云图也呈对称形式。 此时，折纹筒反作用力越过峰值后开始快速下降，如图 3 所示，下降趋势呈现指数陆线型，但此过程也比较短 暂，至压缩位移2 ．6 0m m 时反作用力降至最低并转而 出现一个短暂的小回升过程。这个阶段中，折纹筒斜 折线表现出引导整体屈曲变形的趋势，使每一对相邻 三角形板块构成一个明显的钻石模式变形区域。 3 第三阶段为抛物线式下降阶段。如图2 c 所 示，折纹筒上节应力普遍较高，下节应力普遍较低，上 节斜折线附近普遍进人塑性阶段，由三角形板块构成 的钻石模式变形区域在外力推动下进行大幅度屈曲变 形。如图3 所示，此过程中，折纹筒反力呈现出抛物线 式下降过程，直至压缩比为1 0 9 ．0 5m m 时，反力降至低 谷，为峰值的4 9 ．0 4 ％。此时，折纹筒上节已完全压溃， 反力继而快速攀升。 4 第四阶段为起伏回升阶段。如图2 d 所示， 折纹筒上节逐渐压紧，高应力区域开始向下节转移。 此时，折纹筒反力曲线开始快速攀升，至上节堆积紧密 不再变形，下节斜折线附近也进入塑性阶段，再次形成 四个钻石模式的变形区域。但由于上节堆积部分的影 响，下节屈曲变形受到一定约束作用，故使折纹筒反力 呈现不顺畅起伏攀升态势，直至反力再次接近屈服临 界值，折纹筒上下节屈曲都堆积紧密，压缩位移达 1 9 3 ．6 0m m 。如图2 e 所示，若继续压缩，则折纹筒薄 壁继续被压紧，反力将不再下降而趋于稳定状态，如图 3 中的最后一个阶段。 05 01 0 01 5 0 位移／m m 3 0 皇 2 52 2 0 删 1 5 镒 l O 图3 折纹筒力一位移、吸能量曲线 F i g ．3F o l d i n gb a r r e lf o r c ed i s p l a c e m e n ta n de n e r g y a b s o r p t i o nC U l - l ，e 折纹筒压缩过程中，外来冲击动能转化为折纹筒 塑性变形能和极少部分的弹性变形能，依据折纹筒屈 曲全程反力- 位移曲线积分可求得吸收的能量。如图3 中，比吸能曲线即由吸能量曲线与折纹筒质量之比所 得。可见，随着压缩比增大，比吸能也稳步上升，至压 缩比为1 9 3 ．6 0m m 时，吸能量达3 8 7 ．6k J ，比吸能达 2 5 ．5J ／g 。从数值模拟结果来看，折纹筒在压缩变形过 程中能够按照预折纹的引导来进行屈曲变形，钻石模 式变形区域实现效果非常理想，变形对称且稳定。反 力曲线有明显的屈服临界值，虽然全程反作用力曲线 未实现恒定状态，但总体变化趋势较为理想，外界冲击 动能绝大部分都转化为折纹筒不可恢复的变形能，比 吸能较高。 {嘈瞪瞪瞪 万方数据 振动与冲击 2 0 1 8 年第3 7 卷 2 吸能构件准静态压缩实验 2 ．1 实验介绍 为检测双节吸能构件承载力、吸能量，和准静态压 缩过程中反力变化与屈曲变形情况，相比于预期值进 行性能分析与评价，并以此判断构件总体吸能能否满 足现场支护需求，研制并设计了一种工作额定值50 0 0 k N 、行程10 0 0m m 的液压实验机及其配套加载系统、 荷载- 位移记录系统和数据采集系统，图4 为系统压缩 简图。本次实验重点研究试件在不同加工工艺下的稳 定性以及对构件承载力的影响，图5 为双节吸能构件 模型图，并设定参数 第一组 1 试件规格高度h 3 5 2m m ，上下端为 正方形开E l 边长L 1 8 0m m ，板块倾角1 2 0 与轴线 方向夹角 ； 2 钢材型号Q 7 6 0 t l r 。 7 6 0M P a ，6 ≥1 4 ％ ，厚 度t 8m m ； 3 设定指标最大承载力F 一 2 5 0 0k N ，吸能量 4 0 5k J ，平均承载力F 。 20 0 0k N ，压缩变形量A d 2 0 0m m ，载荷波动系数△ 1 ．5 ，比吸能S E A 2 0 k J ／k g 。 第二组 1 试件规格与第一组相同。 2 钢材型号H G T O D o r ， 7 0 0M P a ，艿≥1 4 ％ ，厚 度t 8m m ； 3 设定指标与第一组相同。 压力机底座双节试件加长压头垫箱压力机 图4 系统压缩简图 F i g ．4S y s t e mc o m p r e s s i o nd i a g r a m 目 ■ a 主视图 b 俯视图 C 三维效果图 图5 双节吸能构件图示 F i g ．5 I l l u s t r a t i o no fd o u b l ee n e r g ya b s o r b i n gc o m p o n e n t 本次实验所采用两组试件分别为冷压处理与热压 热处理，吸能构件见表1 ，试件编号见图6 。 2 ．2 实验步骤 1 将吸能构件试件按规格、型号做好标志，并根 据表1 中数据进行记录。 表1 吸能构件列表 T a b ．1L i s to fe n e r g ya b s o r b i n gc o m p o n e n t s 理 b 四个热压热处理的双节吸能构件 图6 两组实验试件编号 F i g ．6 N u m b e ro ft e s ts p e c i m e n so ft w og r o u p s 2 启动并调试实验设备，确保系统中各仪器设 备正常运行，准静态压缩过程中压缩速率没有具体要 求但需保持恒定，并且同种型号试件的压缩速率应保 持一致。 首先，用替代试件模拟操作整个实验过程，也同时 检验仪器设备包括加载系统、荷载一位移记录系统和数 据采集系统运行无误。其次，按表1 中的标号顺序依 次进行准静态压缩实验，观测、记录吸能构件压溃过程 中的屈曲形态和荷载一变形全程曲线。 3 实验过程中，荷载- 位移记录系统与数据采集 系统跟踪记录。 3 实验结果分析 3 ．1 冷压处理实验结果分析 1 Q 7 6 0 一L l 最大承载力25 9 1k N ；吸能量 网一可叫一一川胃蚓一 万方数据 第1 3 期郝志勇等矿用防冲折纹筒屈曲吸能特性影响研究 1 4 5 4 1 94 5 6J ；变形量2 0 0m m ，见图7 和8 。 图7Q 7 6 0 - L - 1 的力- 位移、吸能量曲线 F i g ．7 F o r c ed i s p l a c e m e n ta n de n e r g ya b s o r p t i o nc u r v eo fQ 7 6 0 - L - 1 图1 1Q 7 6 0 - L - 3 的力一位移、吸能量曲线 F i g ．11 F o r c ed i s p l a c e m e n ta n de n e r g ya b s o r p t i o nc u r v eo f Q 7 6 0 - L - 3 F i g ．8 T h r e ev i e wo fc o m p r e s s e df o r mo fQ 7 6 0 - L - 1 2 Q 7 6 0 L - 2 最大承载力27 7 3k N ；吸能量 2 8 11 4 9J ；变形量1 3 7B i n ，见图9 和1 0 。 位移／r a m ，图9Q 7 6 0 一L - 2 的力- 位移、吸能量曲线 F i g ．9 F o r c ed i s p l a c e m e n ta n de n e r g ya b s o r p t i o nc u r v eo fQ 7 6 0 - L - 2 图l OQ 7 6 0 - L - 2 压缩形态三视图 F i g ．1 0 T h r e ev i e wo fc o m p r e s s e df o r mo fQ 7 6 0 - L - 2 3 Q 7 6 0 - L 一3 最大承载力25 7 9k N ；吸能量 2 4 63 5 5J ；变形量1 3 6 ．4m m ，见图1 1 和1 2 。 4 Q 7 6 0 - L _ 4 最大承载力27 0 9k N ；吸能量 3 6 08 9 9J ；变形量1 8 4m m ，见图1 3 和1 4 。 将上述实验结果进行统计分析，见表2 。 由表2 可知，吸能构件Q 7 6 0 ．L 系列试件中，最大 承载力27 7 3k N ，最小承载力25 7 9k N ，平均值26 6 3 位移A n m 图1 3Q 7 6 0 - L 4 的力位移、吸能量曲线 F i g ．1 3 F o r c ed i s p l a c e m e n ta n de n e r g ya b s o r p t i o nc u r v eo fQ 7 6 0 一L _ 4 图1 4Q 7 6 0 - L 4 压缩形态三视图 F i g ．1 4 T h r e ev i e wo fc o m p r e s s e df o r mo fQ 7 6 0 一L - 4 k N ，高于承载力设定值6 ．5 2 ％，四组数据的标准差为 1 6 2 ．7k N ；压缩量平均值为1 6 4m m ；其中，吸能量最大 值为4 1 9 ．5l 【J ，最小值为2 4 6 ．4k J ，总体平均值为3 2 7 ．0 l 【J ，比预期计算结果低7 7l 【J ，标准差为6 7 ．7l 【J ，载荷波 动系数平均值为1 ．6 7 。吸能比值系数疋标准差为 o ．1 7 ，比吸能均值为2 1 ．1k J ／k g 。由于2 、3 、4 号吸能构 件在压缩量超过1 0 0m m 后出现开裂现象，导致反力曲 线攀升趋势不明显甚至持续降低，吸能量远低于预期 计算值，故不满足双节吸能构件性能设计要求。 万方数据 振动与冲击2 0 1 8 年第3 7 卷 表2 吸能构件承载力与吸能量统计 T a b ．2 B e a r i n gc a p a c i t ya n de n e r g ya b s o r p t i o ns t a t i s t i c so f e n e r g ya b s o r b i n gc o m p o n e n t s 地目． 最大承吸能平均承压缩载荷波比吸能／ 骊亏载力／k N 量／k J 载力／k N6 ／m m 动系数 k J ．k g 一- 观察上述实验中Q 7 6 0 四个试件的曲线数据与压 缩形态三视图发现试件L - 2 、L - 3 、L 4 并未完全按照折 纹筒理想状态下四个阶段变形，均缺少指数式下降阶 段，即未完全按照预设引导整体屈曲变形，起伏回升阶 段不明显对折纹筒压缩后的形态造成影响，呈现出非 紧密堆积状态，会使得试件出现压裂、断口以及不同程 度的板块开裂现象，如图1 5 所示。通过分析可知，试 件开裂的内部原因是由于钢板力学性能较差或均质性 不好，而这一点取决于折纹筒钢板选材和加工工艺；直 接原因是不平整压力板对试件产生非均布初始荷载作 用 图1 5 实验中开裂的折纹筒试件 F i g ．1 5 T h ed e h i s c e n tf o l d i n gb a r r e ls p e c i m e n si ne x p e r i m e n t 具体分析结果为折纹筒是一种对边界条件和外 载非常敏感的结构，非均布的初始荷载导致折纹筒试 件内部应力分布不均衡，预设折纹以及钻石模式变形 区域无法实现正常的同步屈曲变形，使试件产生不对 称变形趋势，从而反馈于压力机压头以及加载梁上，若 加载梁或压头刚度较小，则被引导着逐渐偏离轴线方 向而对试件进一步实施压缩，则出现试件偏歪屈曲变 形的结果；若加载梁和压头刚度极大，则试件无法实现 偏歪屈曲变形，致使试件内部出现应力集中且非对称 分布的形式，加之钢板延展性与均质性不满足要求，在 进一步压缩下发生撕裂，即出现试件局部开裂的结果。 3 ．2 改进措施 针对冷压处理实验中折纹筒试件出现的严重开裂 问题，通过改进折纹筒加工工艺，进而改善折纹筒材质 均质性与力学性能，避免折纹筒因内部问题而影响整 体结构屈曲稳定性。改进折纹筒加工工艺如下 1 钢板裁切。根据折纹筒几何参数确定其半壳 所需矩形钢板尺寸，包括净尺寸和边缘铣削的预留量。 然后，采用水刀或线切割进行钢板裁切。 2 半壳折压。折纹筒半壳采用一组模具及配套 压力机折压而成。折压前钢板需先进行均匀预热，预 热温度控制于8 0 0 5 0o C ，并保持5 分钟，然后再置于 模具上折压成型。保压十分钟后取下。 3 边界修整。折纹筒半壳冷却后置于铣床上， 将上下端和左右边铣削平整，预留量全部铣去。 4 焊接成型。将两个半壳对合，采用高强度焊 条进行焊接，制成一个完整折纹筒。 5 热处理。最后一步，将成型折纹筒试件进行 热处理，热处理方式为6 0 0 ～6 5 0o C 低温回火调质，其 目的是消除折纹筒内部与焊缝处残余应力。 3 ．3 改进加工工艺后实验结果分析 1 H G 7 0 D R 一1 最大承载力23 7 4k N ；吸能量 3 4 00 6 1J ；变形量1 7 1 ．8m m ，见图1 6 和1 7 。 位移／m m 图1 6R - 1 的力一位移、吸能量曲线 F i g ．1 6 F o r c ed i s p l a c e m e n ta n de n e r g ya b s o r p t i o nc u r v eo fR 一1 图1 7R - 1 试件压缩后形态视图 F i g ．1 7 F o r mv i e ws p e c i m e na f t e rc o m p r e s s i o no fR 一1 2 H G 7 0 D - R - 2 最大承载力24 8 9k N ；吸能量 3 6 91 9 3J ；变形量1 8 4 ．3m m ，见图1 8 和1 9 。 万方数据 万方数据 1 4 8振动与冲击 2 0 1 8 年第3 7 卷 系列的四个试件中有三个发生了不同程度地开裂， Q 7 6 0 - L - 4 号试件甚至发生了偏离轴向的变形趋势，而 H G 系列试件未发生任何钢板开裂情况，且四个试件皆 为轴向屈曲变形，即使H G - 2 、H G - 4 号试件存在形态不 对称情况，也未有失稳变形的趋势。故可以断定，新加 工工艺对于改善折纹筒钢板均质性以及消除内部残余 应力有积极作用，并对提高折纹筒屈曲稳定性有极大 帮助。 4 结论 本文对折纹筒结构进行模拟研究，得到其压缩变 形的五个代表性阶段，以及载荷比曲线与比吸能曲线， 通过实验对比研究不同材质与加工工艺对吸能效果的 影响。利用承载力、吸能量、平均承载力、载荷波动系 数、比吸能等评价指标对结构吸能特性进行分析。得 到以下结论 1 从数值模拟结果可看出，折纹筒在持续的外 界载荷作用下，能够按照预折纹的引导进行屈曲变形， 各阶段变形效果比较理想，可吸收大部分外界冲击能 量，吸能效果较好。 2 折纹筒反力变化情况与屈曲变形形态有关， 变形异态和局部开裂都将影响折纹筒的反力，但不会 影响折纹筒的屈服临界值，同时，局部开裂现象与屈曲 异形也有一定的关系。 3 新工艺制作的折纹筒试件比普通方式加工的 折纹筒试件屈曲稳定性更强，其预热操作和热处理在 一定程度上降低了钢板强度，但同时增大了钢板延展 性，对于改善折纹筒板材的力学性能和消除预应力有 积极作用，故试件在准静态压缩下均未发生偏歪或局 部开裂的异常情况，且试件全程载荷比曲线与比吸能 曲线非常理想，与预期的数值模拟结果极为相近。改 进工艺吸能量平均值增加了1 0k J ，载荷波动系数降低 了0 ．1 ，压缩量增大1 0m m ，较改进前有很大改善。 参考文献 [ 1 ] 潘一山，肖永惠，李忠华，等．冲击地压矿井巷道支护理论 研究及应用[ J ] ．煤炭学报，2 0 1 4 ，3 9 2 2 2 2 - 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