能量吸收：結(jié)構(gòu)與材料的力學(xué)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(jì) 2
1.1.2 車輛事故的后果 5
1.1.3 人體對(duì)碰撞的忍受度 6
1.2 能量吸收結(jié)構(gòu)（材料）的應(yīng)用 9
1.2.1 能量吸收結(jié)構(gòu)用于改進(jìn)車輛的耐撞性 9
1.2.2 能量吸收結(jié)構(gòu)用于高速公路的安全防護(hù) 10
1.2.3 能量吸收結(jié)構(gòu)用于工業(yè)事故的防護(hù) 11
1.2.4 能量吸收結(jié)構(gòu)用于個(gè)人安全防護(hù) 12
1.2.5 能量吸收結(jié)構(gòu)/材料用于包裝 13
1.3 設(shè)計(jì)能量吸收結(jié)構(gòu)和選擇能量吸收材料 13
1.3.1 能量吸收結(jié)構(gòu)的一般特點(diǎn) 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(xué)性質(zhì) 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(guān)系 22
2.1.4 塑性鉸和鉸線 23
2.1.5 材料理想化的力學(xué)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(jié)構(gòu)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(yīng)力場(chǎng)和下界定理 29
2.2.4 運(yùn)動(dòng)許可速度/位移場(chǎng)和上界定理 30
2.3 大變形效應(yīng) 32
2.3.1 背景 32
2.3.2 實(shí)例分析 32
2.3.3 大變形的各種效應(yīng) 34
2.4 動(dòng)載荷效應(yīng) 35
2.4.1 應(yīng)力波的傳播及其對(duì)能量吸收的影響 35
2.4.2 慣性及其對(duì)能量吸收的影響 38
2.4.3 應(yīng)變率及其對(duì)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(jī)構(gòu) 43
2.5.2 能量法用于大變形 45
2.5.3 能量法用于動(dòng)態(tài)變形情況 47
3 量綱分析和試驗(yàn)技術(shù) 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(jié)構(gòu)模型 54
3.2.1 相似性要求 54
3.2.2 精確轉(zhuǎn)換數(shù)量上的困難 56
3.3 試驗(yàn)技術(shù) 57
3.3.1 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 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(shù) 62
4 圓環(huán)和圓環(huán)系統(tǒng) 63
4.1 一對(duì)集中力作用下的受壓圓環(huán) 64
4.2 一對(duì)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(duì)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(jìn)一步討論 82
5 橫向載荷作用下的薄壁構(gòu)件和夾層梁 85
5.1 集中力作用下的圓管 86
5.2 鈍楔對(duì)圓管的壓入 88
5.3 薄壁構(gòu)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(jié)構(gòu)作為芯層的夾層板 111
5.6 其他加載系統(tǒng)與評(píng)論 113
6 軸向壓潰的薄壁構(gòu)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(jī)構(gòu)的理想化 124
6.2.3 塑性區(qū)的詳細(xì)分析 124
6.2.4 與試驗(yàn)比較 129
6.2.5 動(dòng)態(tài)效應(yīng) 130
6.3 帽形和雙帽形截面 130
6.4 多胞薄壁構(gòu)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(yīng) 140
6.6 內(nèi)壓效應(yīng) 143
6.7 管件在軸向壓縮下的能量吸收評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 147
6.7.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立 147
6.7.2 應(yīng)用這一指標(biāo)體系評(píng)價(jià)管件的能量吸收性能 149
6.8 進(jìn)一步討論 152
7 結(jié)構(gòu)碰撞與慣性敏感性 155
7.1 碰撞引起的動(dòng)量交換和局部變形 156
7.1.1 兩個(gè)物體正碰撞的動(dòng)力學(xué) 156
7.1.2 接觸力引起的壓陷 160
7.1.3 結(jié)構(gòu)在碰撞下的動(dòng)態(tài)局部變形 168
7.2 慣性敏感能量吸收結(jié)構(gòu) 171
7.2.1 兩類能量吸收結(jié)構(gòu) 171
7.2.2 折板的靜力行為 173
7.2.3 折板的動(dòng)力行為 174
7.2.4 進(jìn)一步討論 179
7.3 運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)物對(duì)固壁的撞擊 180
7.3.1 研究背景 180
7.3.2 圓環(huán)對(duì)固壁的撞擊和反彈—數(shù)值模擬 180
7.3.3 圓環(huán)對(duì)固壁的撞擊和反彈—試驗(yàn)驗(yàn)證 184
7.3.4 薄壁球?qū)瘫诘淖矒艉头磸?186
7.3.5 雙質(zhì)量彈性系統(tǒng)對(duì)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(cè)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(kāi)裂時(shí)的撕裂能量 196
8.1.4 關(guān)于撕裂能量數(shù)值的評(píng)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(yàn) 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(yīng)變的影響因素 213
8.6.2 幾個(gè)重要的斷裂模型 214
8.6.3 加載歷史的影響 216
8.7 進(jìn)一步討論 217
9 圓柱殼和球殼 219
9.1 圓管翻轉(zhuǎn) 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(zhuǎn) 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(jìn)一步討論 237
10 多胞材料 239
10.1 蜂窩材料 240
10.1.1 胞元結(jié)構(gòu)、相對(duì)密度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線和壓實(shí)應(yīng)變 240
10.1.2 面內(nèi)加載下的平臺(tái)應(yīng)力 243
10.1.3 面外加載 246
10.2 泡沫材料 246
10.2.1 胞元結(jié)構(gòu)、相對(duì)密度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線和壓實(shí)應(yīng)變 246
10.2.2 金屬泡沫材料的平臺(tái)應(yīng)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(gòu)關(guān)系 251
10.3 木材 254
10.4 多胞材料對(duì)撞擊的響應(yīng) 256
10.4.1 理想剛塑性沖擊波理論 256
10.4.2 一維質(zhì)量-彈簧模型 258
10.4.3 蜂窩材料的動(dòng)力壓潰—有限元模擬 261
10.4.4 蜂窩材料的動(dòng)力壓潰—基于代表性單元變形歷史的理論模型 265
10.4.5 應(yīng)變率效應(yīng) 269
10.4.6 進(jìn)一步討論 269
11 復(fù)合材料和復(fù)合材料結(jié)構(gòu) 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(jī)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(guān)于復(fù)合材料管件壓潰的評(píng)論 283
11.6 復(fù)合材料包裹的金屬管件的軸向壓潰 284
11.7 復(fù)合材料夾層板 286
11.7.1 復(fù)合材料表層的貫入能量 286
11.7.2 復(fù)合材料夾層板 289
11.8 纖維金屬層合板 292
11.8.1 低速?zèng)_擊響應(yīng) 294
11.8.2 高速?zèng)_擊響應(yīng) 297
11.9 多胞紡織復(fù)合材料 298
11.9.1 背景 298
11.9.2 穹頂陣列紡織復(fù)合材料的兩種構(gòu)形研究 298
11.9.3 胞元幾何形狀和胞元分布對(duì)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(xì)觀失效機(jī)理 302
11.9.6 進(jìn)一步討論 303
12 工程實(shí)例 305
12.1 巖石滾落防護(hù)網(wǎng) 306
12.1.1 巖石滾落及其防護(hù) 306
12.1.2 防護(hù)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(shí)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(jìn)行包裝 310
12.2.1 脆性物品運(yùn)輸過(guò)程中的防護(hù) 310
12.2.2 基于緩沖曲線的包裝設(shè)計(jì) 311
12.2.3 如何由泡沫材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線構(gòu)造緩沖曲線 313
12.2.4 討論 314
12.2.5 數(shù)值實(shí)例 314
12.3 吸收行人頭部撞擊能量的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋設(shè)計(jì) 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(dòng)機(jī)罩蓋與行人頭部碰撞保護(hù) 316
12.3.3 頭部沖擊器撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)例：具有夾層板結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋設(shè)計(jì) 320
12.4 保護(hù)橋墩的柔性防撞裝置 321
12.4.1 柔性防撞裝置的設(shè)計(jì)理念和典型結(jié)構(gòu) 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(shè)計(jì)和研究中的主要科學(xué)技術(shù)問(wèn)題 322
12.4.4 簡(jiǎn)化理論模型及其分析 323
12.4.5 設(shè)計(jì)和試驗(yàn) 324
12.5 飛機(jī)結(jié)構(gòu)適墜性及能量吸收分析實(shí)例 325
12.5.1 機(jī)身框段墜撞分析 325
12.5.2 不同撞擊速度下機(jī)身框段的響應(yīng)分析 328
參考文獻(xiàn) 331
符號(hào)表 355
名詞術(shù)語(yǔ)表 358
后記 363