夾芯結(jié)構(gòu)局部壓入及彎曲塑性響應(yīng)的理論研究.pdf

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

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

3、散的性能。理論分析時(shí)，主要采用能量平衡及有關(guān)原理。當(dāng)同時(shí)考慮承載和吸能時(shí)，需要進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。
　　 夾芯結(jié)構(gòu)在使用時(shí)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(gè)夾芯結(jié)構(gòu)平放在剛性面上，一側(cè)表皮與剛性面完全接觸。一般用于防護(hù)背面的受保護(hù)對(duì)象免受外載沖擊，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shí)主要發(fā)生彎曲

4、變形。另外，由于夾芯結(jié)構(gòu)一般表皮厚度較薄、芯層強(qiáng)度較低，在受到外載尤其是集中載荷作用時(shí)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的吸能性能，即考慮結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形時(shí)的能量耗散特性，而忽略材料的彈性響應(yīng)。主要內(nèi)容包括：
　　 1)剛性面支承夾芯梁局部壓入響應(yīng)
　　 分別考慮了兩種典型形狀的壓頭即平頭及圓柱對(duì)

5、夾芯梁的局部壓入作用。假定表皮變形區(qū)具有一個(gè)線性速度場(chǎng)，根據(jù)虛速度原理和最小功原理，最后得到表皮變形場(chǎng)分布特點(diǎn)和壓頭載荷隨壓入位移的變化關(guān)系，并與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較分析。得到的理論解簡(jiǎn)潔有效自洽，當(dāng)壓頭尺寸趨向于零（相當(dāng)于線載荷）時(shí)兩種壓頭作用下的理論解可以退化為同一結(jié)果。進(jìn)一步根據(jù)已得到的理論解，分析了結(jié)構(gòu)表皮及芯層耗散塑性應(yīng)變能的特點(diǎn)。
　　 2)剛性面支承夾芯圓板局部壓入響應(yīng)
　　 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(yīng)的研究方法，根據(jù)虛速度原理及最小功原理進(jìn)行理論分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平頭作用下的理論結(jié)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(diǎn)載荷作用下的壓頭載荷只與表皮的厚度及流動(dòng)應(yīng)力有關(guān)，而與芯層強(qiáng)度無關(guān)。
　　 由于上述理論模型存在難以解決的問題，改為采用最小勢(shì)能原理進(jìn)行分析。假定表皮變形區(qū)具有一個(gè)二次曲線形式的位移場(chǎng)，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(guān)系，并與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較分析。該模型也存在一個(gè)問題，雖然當(dāng)壓頭尺寸趨向于零時(shí)可以退化為同一結(jié)果，但無法通過該結(jié)果求解得到點(diǎn)載荷作用時(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。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(jié)構(gòu)不同部位能量耗散的特點(diǎn)。
　　 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(yīng)，結(jié)合彎矩軸力共同作用時(shí)的夾芯梁屈服準(zhǔn)則，同時(shí)通過對(duì)夾芯梁整體彎曲時(shí)的變形及受力分析，研究了存在局部壓入變形時(shí)