能量吸收：結構與材料的力學行為和塑性分析

目錄
1 緒論 1
1.1 車輛事故及其后果 2
1.1.1 車輛事故統(tǒng)計 2
1.1.2 車輛事故的后果 5
1.1.3 人體對碰撞的忍受度 6
1.2 能量吸收結構（材料）的應用 9
1.2.1 能量吸收結構用于改進車輛的耐撞性 9
1.2.2 能量吸收結構用于高速公路的安全防護 10
1.2.3 能量吸收結構用于工業(yè)事故的防護 11
1.2.4 能量吸收結構用于個人安全防護 12
1.2.5 能量吸收結構/材料用于包裝 13
1.3 設計能量吸收結構和選擇能量吸收材料 13
1.3.1 能量吸收結構的一般特點 13
1.3.2 一般原理 14
2 能量吸收能力的分析方法 19
2.1 材料行為的理想化 20
2.1.1 材料拉伸的力學性質 20
2.1.2 理想化的材料模型 20
2.1.3 塑性梁的彎矩-曲率關系 22
2.1.4 塑性鉸和鉸線 23
2.1.5 材料理想化的力學模型 24
2.1.6 剛塑性理想化的適用性 25
2.2 極限分析和界限定理 26
2.2.1 理想塑性結構的極限狀態(tài) 26
2.2.2 彎曲和拉伸作用下的梁 27
2.2.3 靜力許可應力場和下界定理 29
2.2.4 運動許可速度/位移場和上界定理 30
2.3 大變形效應 32
2.3.1 背景 32
2.3.2 實例分析 32
2.3.3 大變形的各種效應 34
2.4 動載荷效應 35
2.4.1 應力波的傳播及其對能量吸收的影響 35
2.4.2 慣性及其對能量吸收的影響 38
2.4.3 應變率及其對能量吸收的影響 41
2.5 能量法 43
2.5.1 能量法用于確定初始坍塌載荷和坍塌機構 43
2.5.2 能量法用于大變形 45
2.5.3 能量法用于動態(tài)變形情況 47
3 量綱分析和試驗技術 49
3.1 量綱分析 50
3.1.1 物理變量、基本變量和量綱齊次性 50
3.1.2 量綱分析法 50
3.2 小尺度結構模型 54
3.2.1 相似性要求 54
3.2.2 精確轉換數(shù)量上的困難 56
3.3 試驗技術 57
3.3.1 萬能試驗機 57
3.3.2 落錘、滑軌和擺錘 58
3.3.3 分離式霍普金森壓桿 60
3.3.4 氣炮和其他技術 62
4 圓環(huán)和圓環(huán)系統(tǒng) 63
4.1 一對集中力作用下的受壓圓環(huán) 64
4.2 一對集中力作用下的受拉圓環(huán) 65
4.3 集中力作用下的固支半圓拱 68
4.3.1 受向外載荷作用的半圓拱 68
4.3.2 受向內(nèi)載荷作用的半圓拱 70
4.4 兩平板對壓下的圓環(huán) 71
4.5 橫向受約束的圓管 73
4.6 端部受撞擊的一維圓環(huán)系統(tǒng) 77
4.7 圓管陣列的橫向壓潰 80
4.8 其他圓環(huán)/圓管系統(tǒng) 82
4.9 進一步討論 82
5 橫向載荷作用下的薄壁構件和夾層梁 85
5.1 集中力作用下的圓管 86
5.2 鈍楔對圓管的壓入 88
5.3 薄壁構件的彎曲破壞 91
5.3.1 正方形和矩形截面 91
5.3.2 圓管截面 96
5.3.3 槽形截面的彎曲坍塌 97
5.3.4 角形截面梁的彎曲 102
5.4 泡沫充填管的彎曲 104
5.5 夾層梁和夾層板的彎曲吸能 107
5.5.1 傳統(tǒng)蜂窩和泡沫鋁芯層夾層板的能量吸收 108
5.5.2 折紙結構作為芯層的夾層板 111
5.6 其他加載系統(tǒng)與評論 113
6 軸向壓潰的薄壁構件 115
6.1 圓管 116
6.1.1 軸向壓潰模式和典型的力-位移曲線 116
6.1.2 理論模型 117
6.2 方管 122
6.2.1 軸向壓潰模式和典型的力-位移曲線 122
6.2.2 壓潰機構的理想化 124
6.2.3 塑性區(qū)的詳細分析 124
6.2.4 與試驗比較 129
6.2.5 動態(tài)效應 130
6.3 帽形和雙帽形截面 130
6.4 多胞薄壁構件 132
6.4.1 角形單元 135
6.4.2 三板角單元 136
6.4.3 其他單元與討論 139
6.5 泡沫充填效應 140
6.6 內(nèi)壓效應 143
6.7 管件在軸向壓縮下的能量吸收評價指標體系 147
6.7.1 評價指標體系的建立 147
6.7.2 應用這一指標體系評價管件的能量吸收性能 149
6.8 進一步討論 152
7 結構碰撞與慣性敏感性 155
7.1 碰撞引起的動量交換和局部變形 156
7.1.1 兩個物體正碰撞的動力學 156
7.1.2 接觸力引起的壓陷 160
7.1.3 結構在碰撞下的動態(tài)局部變形 168
7.2 慣性敏感能量吸收結構 171
7.2.1 兩類能量吸收結構 171
7.2.2 折板的靜力行為 173
7.2.3 折板的動力行為 174
7.2.4 進一步討論 179
7.3 運動的結構物對固壁的撞擊 180
7.3.1 研究背景 180
7.3.2 圓環(huán)對固壁的撞擊和反彈—數(shù)值模擬 180
7.3.3 圓環(huán)對固壁的撞擊和反彈—試驗驗證 184
7.3.4 薄壁球對固壁的撞擊和反彈 186
7.3.5 雙質量彈性系統(tǒng)對固壁的撞擊和回彈 190
8 伴隨有韌性撕裂的塑性變形 193
8.1 撕裂能量的測量 194
8.1.1 面內(nèi)撕裂 194
8.1.2 面外撕裂 195
8.1.3 正方形金屬管開裂時的撕裂能量 196
8.1.4 關于撕裂能量數(shù)值的評論 197
8.2 金屬圓管的軸向劈裂 198
8.2.1 Huang等的理論分析 200
8.2.2 利用圓錐形模具使圓管劈裂 202
8.3 正方形金屬管的軸向劈裂 203
8.4 金屬管的刺穿 206
8.4.1 試驗 206
8.4.2 理論分析 208
8.5 尖楔切割金屬板 209
8.6 金屬的韌性斷裂 212
8.6.1 等效斷裂應變的影響因素 213
8.6.2 幾個重要的斷裂模型 214
8.6.3 加載歷史的影響 216
8.7 進一步討論 217
9 圓柱殼和球殼 219
9.1 圓管翻轉 220
9.2 管件向內(nèi)的鼻狀成型 225
9.3 圓管的脹管 227
9.4 球殼的翻轉 231
9.5 海底管道塌陷的傳播 233
9.5.1 圓環(huán)模型 234
9.5.2 塑性地基上的塑性梁模型 235
9.6 進一步討論 237
10 多胞材料 239
10.1 蜂窩材料 240
10.1.1 胞元結構、相對密度、應力-應變曲線和壓實應變 240
10.1.2 面內(nèi)加載下的平臺應力 243
10.1.3 面外加載 246
10.2 泡沫材料 246
10.2.1 胞元結構、相對密度、應力-應變曲線和壓實應變 246
10.2.2 金屬泡沫材料的平臺應力 248
10.2.3 金屬泡沫材料的能量吸收性能 250
10.2.4 金屬泡沫材料的本構關系 251
10.3 木材 254
10.4 多胞材料對撞擊的響應 256
10.4.1 理想剛塑性沖擊波理論 256
10.4.2 一維質量-彈簧模型 258
10.4.3 蜂窩材料的動力壓潰—有限元模擬 261
10.4.4 蜂窩材料的動力壓潰—基于代表性單元變形歷史的理論模型 265
10.4.5 應變率效應 269
10.4.6 進一步討論 269
11 復合材料和復合材料結構 271
11.1 影響能量吸收特性的因素 272
11.2 圓管的軸向壓潰 272
11.2.1 能量耗散機理和特性 272
11.2.2 纖維層方位的影響 279
11.2.3 直徑與壁厚比（D/h）的影響 280
11.3 其他幾何形狀管件的軸向壓潰 280
11.4 管件彎曲 282
11.5 關于復合材料管件壓潰的評論 283
11.6 復合材料包裹的金屬管件的軸向壓潰 284
11.7 復合材料夾層板 286
11.7.1 復合材料表層的貫入能量 286
11.7.2 復合材料夾層板 289
11.8 纖維金屬層合板 292
11.8.1 低速沖擊響應 294
11.8.2 高速沖擊響應 297
11.9 多胞紡織復合材料 298
11.9.1 背景 298
11.9.2 穹頂陣列紡織復合材料的兩種構形研究 298
11.9.3 胞元幾何形狀和胞元分布對能量吸收能力的影響 300
11.9.4 軸向壓縮下平頂圓錐殼的理論模型 300
11.9.5 細觀失效機理 302
11.9.6 進一步討論 303
12 工程實例 305
12.1 巖石滾落防護網(wǎng) 306
12.1.1 巖石滾落及其防護 306
12.1.2 防護網(wǎng)的能量吸收能力 306
12.1.3 拉伸變形 308
12.1.4 作用力的數(shù)值 309
12.1.5 數(shù)值實例 309
12.1.6 與圓環(huán)沿直徑方向拉伸的比較 310
12.2 利用塑料泡沫材料進行包裝 310
12.2.1 脆性物品運輸過程中的防護 310
12.2.2 基于緩沖曲線的包裝設計 311
12.2.3 如何由泡沫材料的應力-應變曲線構造緩沖曲線 313
12.2.4 討論 314
12.2.5 數(shù)值實例 314
12.3 吸收行人頭部撞擊能量的汽車發(fā)動機罩蓋設計 315
12.3.1 人車碰撞事故與行人頭部傷害 315
12.3.2 汽車發(fā)動機罩蓋與行人頭部碰撞保護 316
12.3.3 頭部沖擊器撞擊發(fā)動機罩蓋的多峰波形特征 317
12.3.4 基于HIC的最優(yōu)碰撞波形 319
12.3.5 工程實例：具有夾層板結構的發(fā)動機罩蓋設計 320
12.4 保護橋墩的柔性防撞裝置 321
12.4.1 柔性防撞裝置的設計理念和典型結構 321
12.4.2 柔性防撞裝置的工作原理 322
12.4.3 柔性抗船撞裝置設計和研究中的主要科學技術問題 322
12.4.4 簡化理論模型及其分析 323
12.4.5 設計和試驗 324
12.5 飛機結構適墜性及能量吸收分析實例 325
12.5.1 機身框段墜撞分析 325
12.5.2 不同撞擊速度下機身框段的響應分析 328
參考文獻 331
符號表 355
名詞術語表 358
后記 363