蔣家橋，杜海深，徐 勇

(中國工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽 621900)

大型跌落塔是進(jìn)行產(chǎn)品跌落環(huán)境試驗(yàn)的重要設(shè)備，導(dǎo)向鋼架是跌落塔中確保產(chǎn)品跌落姿態(tài)的重要結(jié)構(gòu)件。在30～60 m的高度，該鋼架以自由落體速度撞擊緩沖座表面時(shí)的沖擊動(dòng)能為0.66～1.32 MJ。緩沖座的活塞為彈簧與溢流孔組合機(jī)構(gòu)，當(dāng)導(dǎo)向鋼架撞擊緩沖座且超過緩沖座初始剛性閾值時(shí)，緩沖座的活塞向下運(yùn)動(dòng)使其內(nèi)的水體受壓后通過溢流孔噴出，將導(dǎo)向鋼架的沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)換成水的動(dòng)能與彈簧的彈性能。當(dāng)活塞向下運(yùn)動(dòng)停止后，緩沖座內(nèi)彈簧的彈性能克服導(dǎo)向鋼架與活塞的勢能，將導(dǎo)向鋼架恢復(fù)至初始靜止位置。

在導(dǎo)向鋼架撞擊緩沖座時(shí)，由于緩沖座初始剛性較大，其沖擊過載對導(dǎo)向鋼架的彎矩作用不僅會(huì)造成導(dǎo)向鋼架的大變形，而且還可能造成導(dǎo)向鋼架上的焊縫撕裂和活塞頂蓋的連接螺栓斷裂(見圖1)。為避免這些現(xiàn)象發(fā)生，需要在導(dǎo)向剛架與緩沖座之間增加具有緩沖吸能特性的保護(hù)裝置。

圖1 大型跌落塔局部示意圖

1 保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

泡沫鋁是一種以多樣化孔隙為特征的超輕型金屬材料，它實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)材料的輕質(zhì)和多功能化，利用泡沫鋁和泡沫鋁合金制作的緩沖器已成為典型的能量吸收裝置［1－2］。

薄壁金屬管(圓柱殼)受軸向載荷作用時(shí)，具有單位體積或質(zhì)量的材料吸收能量高的特征，其吸能特性主要依賴結(jié)構(gòu)的塑性動(dòng)態(tài)屈曲行為。薄壁管的塑性動(dòng)態(tài)屈曲是指當(dāng)盡可能多的材料被壓皺時(shí)，管子材料才能得到最有效的利用［3］。

國內(nèi)外有關(guān)泡沫鋁材料、圓柱殼、泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)等項(xiàng)的緩沖吸能特性研究報(bào)道較多［3－6］;而如何根據(jù)具體工程問題，結(jié)合泡沫鋁材料與圓柱殼的緩沖吸能特性，組合設(shè)計(jì)成針對MJ級動(dòng)能撞擊條件下具有梯度吸能結(jié)構(gòu)特性的保護(hù)裝置未見相關(guān)報(bào)道。

1.1 設(shè)計(jì)思路

本文提出的保護(hù)裝置為3層緩沖吸能結(jié)構(gòu)，由泡沫鋁緩沖體、中間圓柱殼、底層圓柱殼與承力板等組成(見圖2)?；驹O(shè)計(jì)原理:在撞擊時(shí)，通過泡沫鋁緩沖體孔結(jié)構(gòu)變形、垮塌、壓實(shí)，吸收導(dǎo)向鋼架部分沖擊動(dòng)能，以此減小對導(dǎo)向鋼架阻尼作用與反向沖力;在泡沫鋁逐漸壓實(shí)后，中間緩沖筒和底層緩沖筒在沖擊作用下發(fā)生塑性變形形成皺褶，將導(dǎo)向鋼架的部分沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)換成變形能，直至緩沖座克服初始剛性使水從活塞溢流孔噴出為止，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置對導(dǎo)向鋼架的阻尼呈小斜度線性增長的設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖2 保護(hù)裝置示意圖

1.2 泡沫鋁緩沖體

Miltz等［7］提出了吸能效率 E，定義為泡沫材料所吸收的能量與對應(yīng)的應(yīng)力之比:

其中:εm為任意應(yīng)變;σm為對應(yīng)的應(yīng)力;積分部分為在應(yīng)變?chǔ)舖下泡沫材料所吸收的單位體積能W。當(dāng)吸能效率E達(dá)到最大值時(shí)，在對應(yīng)的應(yīng)力處泡沫材料的吸能性能最好。

在泡沫鋁緩沖體設(shè)計(jì)中，首要問題是如何根據(jù)工程使用環(huán)境選擇泡沫鋁材料的組分、密度、孔隙率。為此，根據(jù)工程需求開展了孔隙率為75%～84%的泡沫純鋁與泡沫鋁銅合金材料的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，得到泡沫鋁的壓力－應(yīng)變曲線(見圖3)。

圖3 泡沫純鋁與泡沫鋁合金壓力－應(yīng)變曲線

將圖3中的泡沫鋁應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)代入式(1)求得孔隙率為76%(見圖3中LHJ76)的泡沫鋁銅合金吸能效率最高，吸能能力約為7.4 kJ。為此，根據(jù)試驗(yàn)與計(jì)算的結(jié)果，在確定泡沫鋁材料吸能特性后完成泡沫鋁緩沖體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.3 圓柱殼

Norman Jones［3］給出如圖 4(a)所示的圓柱殼軸向受壓變形模式。圓柱殼壓縮試驗(yàn)表明:圓柱殼試件的變形具有軸向靜壓變形的典型特征，變形形成的重復(fù)皺褶呈漸進(jìn)屈曲特性，如圖4(b)所示。其中:圖4(b)中的GQ1和GQ3試件產(chǎn)生的屈曲是軸對稱的，即手風(fēng)琴模式;而GQ2試件則從剛開始的軸對稱模式過渡為非軸對稱的金剛石模式。

圖4 圓柱殼軸向受壓變形模式與試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)等壁厚圓柱殼的力學(xué)行為及緩沖吸能特性可知:等壁厚圓柱殼要得到圖4(a)所示的理想塑性鉸壓皺模式(即手風(fēng)琴模式)，受圓柱殼直徑與壁厚比、載荷狀態(tài)、材料特性等因素影響較大，實(shí)現(xiàn)存在較大難度，且工程應(yīng)用中難以滿足設(shè)計(jì)需求。為實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)預(yù)期，筆者設(shè)計(jì)了塑性鉸預(yù)置結(jié)構(gòu)，使圓柱殼的結(jié)構(gòu)變形與吸能行為具有可控性。

1.3.1 圓柱殼計(jì)算方法

Alexanda［8］研究了單個(gè)薄壁圓管受軸向力作用時(shí)形成的一個(gè)皺褶的內(nèi)能耗散，給出了薄壁圓管形成一個(gè)完整的皺褶時(shí)吸收的總能量DT:

將Cowper-Symonds本構(gòu)方程［3］代入式(2)可得到圓柱殼在動(dòng)載荷作用下的平均壓皺力Pm:

當(dāng)圓柱殼承受導(dǎo)向鋼架的軸向撞擊時(shí)，假設(shè)一端在碰撞過程中保持靜止，則有

式(2)～(4)中:H為圓柱殼壁厚;R為圓柱殼中徑;l為圓柱殼長度;σ0為靜流動(dòng)應(yīng)力;n為圓柱殼數(shù)量;Pm為平均動(dòng)壓皺力;Δ為壓皺長度;m2為導(dǎo)向鋼架總質(zhì)量;v2為導(dǎo)向鋼架體撞擊速度;D和q為材料常數(shù)。

1.3.2 預(yù)置塑性鉸的圓柱殼試驗(yàn)

為確定圓柱殼的相關(guān)參數(shù)并掌握其結(jié)構(gòu)的吸能特性，將圓柱殼試件的塑性鉸部位分別設(shè)計(jì)為1、1.5和2 mm三種尺寸。試件在CFT5500萬能結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行靜壓試驗(yàn)，壓縮速度為40 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

由圖5(a)的壓力－位移曲線可得出:①圓柱殼的吸能能力隨塑性鉸處壁厚增加而增強(qiáng);② 圓柱殼的塑性鉸長度與其壁厚相關(guān);③ 圓柱殼的皺褶形成與材料、載荷及結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)。由圖5(b)可見:圓柱殼結(jié)構(gòu)變形實(shí)現(xiàn)理想塑性鉸壓皺模式(手風(fēng)琴模式)，其塑性鉸形成皺褶的狀態(tài)在壓力－位移曲線的峰谷中得到體現(xiàn)。

圖5 圓柱殼靜力試驗(yàn)的壓力－位移曲線和結(jié)構(gòu)變形

根據(jù)大型跌落塔導(dǎo)向鋼架最大沖擊過載狀態(tài)及圓柱殼的計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果，保護(hù)裝置的中間圓柱殼與底層圓柱殼的壁厚分別確定為1.5 mm、2 mm。

2 比對試驗(yàn)

在導(dǎo)向鋼架30 m跌落狀態(tài)下，保護(hù)裝置與橡膠墊的比對試驗(yàn)及保護(hù)裝置試驗(yàn)狀態(tài)見圖6(橡膠墊和保護(hù)裝置的高度相同)。

由圖6可見:導(dǎo)向鋼架與橡膠墊、保護(hù)裝置的碰撞瞬態(tài)為小角度斜碰撞。在導(dǎo)向鋼架的沖擊載荷作用下，由于橡膠墊材料彈性變形的蓄放能特性使導(dǎo)向鋼架呈阻尼振蕩式彈性變形。保護(hù)裝置通過泡沫鋁緩沖體、中間圓柱殼與底層圓柱殼的依次結(jié)構(gòu)變形，將導(dǎo)向鋼架的沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)換成材料與結(jié)構(gòu)的變形能，即導(dǎo)向鋼架的部分沖擊動(dòng)能被保護(hù)裝置吸收。

導(dǎo)向鋼架上各應(yīng)變測點(diǎn)的測量結(jié)果顯示:采用本文設(shè)計(jì)的保護(hù)裝置所產(chǎn)生的應(yīng)變僅相當(dāng)于采用橡膠墊時(shí)的40%(用橡膠墊試驗(yàn)時(shí)導(dǎo)向鋼架中部最大變形近7000 με)。保護(hù)裝置用時(shí)115 ms，大于橡膠墊的102 ms。

在導(dǎo)向鋼架50 m跌落試驗(yàn)中，導(dǎo)向鋼架的沖擊動(dòng)能為1.1 MJ，其中部采用保護(hù)裝置后的最大變形約為6500 με，滿足導(dǎo)向鋼架使用要求。保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)變形如圖6(c)所示。

圖6 橡膠墊與保護(hù)裝置30 m跌落試驗(yàn)比對圖與保護(hù)裝置試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)束語

泡沫鋁銅合金作為功能－結(jié)構(gòu)一體化材料，在相同密度與載荷條件下，擁有比泡沫純鋁高出近50%的吸能能力。薄壁圓柱殼的塑性鉸預(yù)置技術(shù)解決了殼體結(jié)構(gòu)變形的控制問題。靜力試驗(yàn)結(jié)果表明:薄壁圓柱殼的吸能能力隨塑性鉸處壁厚的增加而增強(qiáng)，薄壁圓柱殼的塑性鉸長度與其壁厚相關(guān)。比對跌落試驗(yàn)表明:本文設(shè)計(jì)的保護(hù)裝置在MJ級動(dòng)能沖擊環(huán)境下能為導(dǎo)向鋼架提供比橡膠墊更好的保護(hù)作用。該技術(shù)已在工程中得到應(yīng)用。

［1］鄒毅，何德坪，蔣家橋.新型球形孔低孔隙率高強(qiáng)度泡沫鋁合金［J］.中國科學(xué):B輯:化學(xué)，2004，34(1):168－176.

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