夾芯結構局部壓入及彎曲塑性響應的理論研究.pdf

1、輕質夾芯結構廣泛用于各種工程結構，如航空航天，汽車，船舶等。典型的夾芯結構一般由三層粘結而成，中間芯層采用較厚的輕質材料，兩層表皮采用厚度較薄、強度較高的材料。由于夾芯結構幾何、材料參數(shù)較多，結構變形復雜，研究方法多限于實驗及數(shù)值模擬，簡潔有效的理論模型至今很少。
　　 從工程用途角度來說，夾芯結構可分為三大類，一是作為承載結構，主要利用夾芯結構的比剛度、比承載力較高的性能，質量較輕卻能提供較大的剛度和承載力。二是作為吸能防護結

2、構，利用夾芯結構比吸能較高的性能，質量較輕卻能吸收較多的塑性耗散能，從而保護易受傷害的對象。三是承載吸能二者兼有，在利用夾芯結構的比承載能力的同時兼顧考慮發(fā)生意外碰撞損傷時的緩沖吸能性能。
　　 從材料響應角度來說，當夾芯結構作為承載結構使用時，主要考慮的是材料處于彈性響應階段，不考慮材料的塑性破壞。理論分析時，主要采用經(jīng)典彈性理論及其特定條件下的簡化方法。另一方面，當夾芯結構作為吸能防護結構時，主要考慮材料發(fā)生塑性變形時能量耗

3、散的性能。理論分析時，主要采用能量平衡及有關原理。當同時考慮承載和吸能時，需要進行綜合設計。
　　 夾芯結構在使用時的邊界條件多種多樣，但歸納起來主要有兩大類：剛性面支承和邊緣支承。其中，剛性面支承是指整個夾芯結構平放在剛性面上，一側表皮與剛性面完全接觸。一般用于防護背面的受保護對象免受外載沖擊，結構變形主要表現(xiàn)為局部壓入等壓縮行為。而邊緣支承是指夾芯結構主要在端部或周邊受到約束，其它部位為自由狀態(tài)，在受到橫向承載時主要發(fā)生彎曲

4、變形。另外，由于夾芯結構一般表皮厚度較薄、芯層強度較低，在受到外載尤其是集中載荷作用時，易于發(fā)生局部壓入變形。因此，整體彎曲常常伴隨有局部壓入變形，一方面降低了結構的整體抗彎能力，另一方面增加了理論分析的難度。
　　 本文主要研究夾芯結構的吸能性能，即考慮結構發(fā)生塑性變形時的能量耗散特性，而忽略材料的彈性響應。主要內容包括：
　　 1)剛性面支承夾芯梁局部壓入響應
　　 分別考慮了兩種典型形狀的壓頭即平頭及圓柱對

5、夾芯梁的局部壓入作用。假定表皮變形區(qū)具有一個線性速度場，根據(jù)虛速度原理和最小功原理，最后得到表皮變形場分布特點和壓頭載荷隨壓入位移的變化關系，并與有限元計算結果進行了比較分析。得到的理論解簡潔有效自洽，當壓頭尺寸趨向于零（相當于線載荷）時兩種壓頭作用下的理論解可以退化為同一結果。進一步根據(jù)已得到的理論解，分析了結構表皮及芯層耗散塑性應變能的特點。
　　 2)剛性面支承夾芯圓板局部壓入響應
　　 分別考慮了平頭及球頭兩種形

6、狀壓頭的作用。首先沿用前面夾芯梁局部壓入響應的研究方法，根據(jù)虛速度原理及最小功原理進行理論分析。結果發(fā)現(xiàn)，平頭作用下的理論結果與有限元值偏差較大，而球頭作用下的理論模型存在不自洽的問題。另外，點載荷作用下的壓頭載荷只與表皮的厚度及流動應力有關，而與芯層強度無關。
　　 由于上述理論模型存在難以解決的問題，改為采用最小勢能原理進行分析。假定表皮變形區(qū)具有一個二次曲線形式的位移場，根據(jù)最小功原理，得到變形區(qū)范圍和壓頭載荷隨壓入位移的

7、變化關系，并與有限元計算結果進行了比較分析。該模型也存在一個問題，雖然當壓頭尺寸趨向于零時可以退化為同一結果，但無法通過該結果求解得到點載荷作用時的結構響應。最后根據(jù)平頭及球頭作用下的理論解，分析了兩種情況下結構不同部位能量耗散的特點。
　　 3)兩端固支夾芯梁彎曲行為
　　 根據(jù)本文已經(jīng)得到的夾芯梁局部壓入響應，結合彎矩軸力共同作用時的夾芯梁屈服準則，同時通過對夾芯梁整體彎曲時的變形及受力分析，研究了存在局部壓入變形時