【正文】 圓環(huán)耐撞性研究書圓環(huán)耐撞性研究的意義近年來，各種車輛、船舶、飛行器的數(shù)量越來越多，速度越來越快，碰撞事故也隨之日益增加，每年都要造成嚴(yán)重的生命和財產(chǎn)損失。解決這個問題的主要途徑，是研究和提高各種車輛、船舶、飛行器結(jié)構(gòu)的耐撞性(structural crashworthiness) [1]。術(shù)語“耐撞性”指的是當(dāng)車輛等卷入或經(jīng)歷碰撞時響應(yīng)性質(zhì)的優(yōu)劣。眾多學(xué)者已對金屬吸能結(jié)構(gòu)，如圓管的卷曲、方管的卷曲和漸進(jìn)屈曲、截殼體、圓管和圓環(huán)以及在其中填充泡沫塑料等進(jìn)行了大量的研究。工程上特別關(guān)心如何評估結(jié)構(gòu)受沖擊后的整體性能、如何提出合理的設(shè)計(jì)方案及如何制定有效的防護(hù)措施等問題。目前，工程實(shí)際中比較切實(shí)有效的手段就是設(shè)計(jì)并采用性能優(yōu)異的能量吸收裝置(energy absorbing devices)，或者叫能量耗散裝置(energy dissipating devices) [2]，這項(xiàng)工作現(xiàn)己成為結(jié)構(gòu)安全防護(hù)中重點(diǎn)課題。同時，在某些特定的情況(例如飛行器的緊急著陸，核電站和高速公路旁重要設(shè)施的防護(hù)等等)下，已有結(jié)構(gòu)難以滿足吸收全部碰撞能的要求，需要設(shè)計(jì)一些特殊的結(jié)構(gòu)元件作為能量吸收裝置，這種裝置必須具有良好的塑性變形性質(zhì)，使得撞擊動能通過結(jié)構(gòu)的大塑性變形和破壞過程被耗散掉，從而大大降低沖擊力的幅值，減緩沖擊效應(yīng)，使之保持在結(jié)構(gòu)所能耐受的指標(biāo)水平上。受橫向載荷的圓環(huán)（）就是以塑性彎曲為其主要能量耗散機(jī)制的。 （a）初始構(gòu)形；（b）變形后的形狀在工作載荷下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)（例如，用于圖謀工程和機(jī)器中的結(jié)構(gòu)）只發(fā)生很小的彈性變形。這些結(jié)構(gòu)通常要求在規(guī)定的載荷下具有一定的強(qiáng)度和剛度，所以材料的選擇和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要基于結(jié)構(gòu)必須承受的彈性應(yīng)力或者應(yīng)變。失效多是由于疲勞、腐蝕，或者是由于長時間使用引起的材料老化。能量吸收結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析大不相同。能量吸收結(jié)構(gòu)必須承受強(qiáng)碰撞載荷，所以它們的變形和失效涉及到幾何大變形應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)應(yīng)變率效應(yīng)以及不同變形模式（如彎曲和拉伸）之間的各種交互作用。因?yàn)檫@些原因，大多數(shù)能量吸收器用韌性金屬制成，低碳鋼和鋁合金是使用最廣泛的。目前在金屬吸能裝置領(lǐng)域的研究可分為兩類：一類是金屬吸能元件（包括與其它吸能材料組合而成的吸能裝置）；另一類是利用金屬塑性成形和金屬切削原理的能量吸收裝置。對于能量吸收裝置的具體要求必須根據(jù)使用場合的不同以及具體使用工況的不同而定，不存在處處適用或絕對最優(yōu)的能量吸收裝置。由于碰撞工況的不同和安裝部位的不同，對能量吸收裝置的具休要求各不相同，但一般說來，以下幾點(diǎn)要求是共同的：(1)碰撞動能應(yīng)盡可能不可逆地轉(zhuǎn)換成變形能，也就是說，應(yīng)該以塑性變形而不是彈性變形來貯存這種能量；(2) 在碰撞條件下，能量吸收裝置的變形模式應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定，具有可重復(fù)性和可靠性, 且傳遞的反力波動小，保持常幅值；(3) 在吸收能量的過程中，應(yīng)控制碰撞力和減速度，在大變形下應(yīng)具有接近定常數(shù)的承載能力，以保護(hù)人員和重要結(jié)構(gòu)。生物力學(xué)的研究指出人的顱腦系統(tǒng)的忍受度可用下式表達(dá)：其中GSI稱為Godd指標(biāo)，是加速度(或減速度)，以重力加速度g為單位，t是時間，單位是毫秒，T是經(jīng)歷加速度的總時間，1000是正常成人顱腦損傷的門檻值。從上式易證明，在給定初速和碰撞距離的條件下，使GSI取極小的減速過程，是為常數(shù)的勻減速過程。因此，良好的能量吸收裝置，在大變形下應(yīng)具有接近定常數(shù)的承載能力；(4) 裝在飛行器和汽車上的能量吸收裝置，應(yīng)該自重較輕，具有良好的“比耗能”，即單位自重所能吸收的能量值要高；(5) 為了吸收更多的總動能，它應(yīng)能提供足夠長的變形行程，而且在變形后不占據(jù)過大的空間或造成次生破壞；(6) 由于能量吸收裝置通常都是一次使用結(jié)構(gòu)，所以應(yīng)該成本低廉，便于制造和更換[3] [18]。 圓環(huán)耐撞性的研究現(xiàn)狀由于金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)具有變形穩(wěn)定、承載力穩(wěn)定、變形行程長、初始沖擊力小、取材方便、易于更換以及產(chǎn)生的比能耗高等優(yōu)勢，受到了工程界的高度重視，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[4]。例如，在美國很多大型結(jié)構(gòu)和高速公路的防護(hù)裝置都安裝此類抗沖擊吸能裝置，取得了令人滿意的結(jié)果。迄今為止，結(jié)構(gòu)塑性動力學(xué)研究領(lǐng)域?qū)α?、板、殼、拱等結(jié)構(gòu)[5]以及多種管狀、環(huán)狀和其它方式的金屬吸能結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的動力響應(yīng)特性研究已取得了很大的進(jìn)展。但是至今仍有一些極具研究價值和應(yīng)用潛力的碰撞緩沖吸能金屬結(jié)構(gòu)尚未得到足夠重視。這類吸能結(jié)構(gòu)的動力塑性壓潰變形模式與相應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)壓潰變形模式有很大的差別。其原因使由于變形過程中往往摻雜了應(yīng)變率效應(yīng)和慣性效應(yīng)的影響。圓環(huán)結(jié)構(gòu)就是這類吸能結(jié)構(gòu)之一。盡管圓管和圓環(huán)列作為新型吸能器已經(jīng)得到一定的工程應(yīng)用,但是以往的研究大多關(guān)注圓環(huán)或圓環(huán)列系統(tǒng)的變形行為，而對工程實(shí)際中更為關(guān)心的吸能特性(尤其是吸能效率) 和機(jī)理方面的研究卻很不充分，特別是有針對性的對圓環(huán)列系統(tǒng)的吸能效率方面的實(shí)驗(yàn)研究方面的工作幾乎沒有。Hwang最早給出了對徑受壓的理想彈塑薄圓環(huán)的小變形分析。自70年代以來，許多學(xué)者對完整或含缺口圓環(huán)在不同支撐下的塑性動力響應(yīng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過這些研究，獲得了對圓環(huán)結(jié)構(gòu)吸能特性的一些認(rèn)識。Calladine和England對低碳鋼圓環(huán)等進(jìn)行了沖擊實(shí)驗(yàn)。他們的實(shí)驗(yàn)表明，圓環(huán)使一種對沖擊速度不敏感的能量吸收元件，也就是說，在相同的沖擊動能條件下，改變落錘的質(zhì)量和速度，圓環(huán)的最終變形相差不大。DeRuntz和Hodge[6]指出，理想剛塑性薄圓環(huán)在兩剛性平板對壓下的大變形為一個四鉸機(jī)構(gòu)。Reid等[7]人詳盡地研究了強(qiáng)化效應(yīng)對圓環(huán)承載能力的影響。他們指出，材料線性強(qiáng)化的結(jié)果不但使塑性極限彎矩提高，而且使塑性鉸擴(kuò)展為塑性區(qū)[1]。Reid等人對強(qiáng)化受壓圓環(huán)的處理同余同希1964年對強(qiáng)化受拉圓環(huán)的處理[13]是完全一致的。Reid等最先對沖擊載荷下金屬圓環(huán)列(若干個圓環(huán)排成一列)的動態(tài)力學(xué)行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了大量的不同連接條件下的圓環(huán)列系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上提出了結(jié)構(gòu)波理論。Reid和Reddy首先報道了圓環(huán)串接系統(tǒng)端部受集中質(zhì)量塊撞擊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[7]。發(fā)現(xiàn)圓環(huán)的變形過程乃至完全壓扁是一個接一個在進(jìn)行 ,在宏觀上表現(xiàn)出間斷沖擊波的特性, 為此Reid，Bell和Barr建立了一維沖擊波理論模型,這個模型能夠反映出圓環(huán)串接系統(tǒng)的的瞬態(tài)塑性變形機(jī)制,并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比較[15]。Reid等人也研究過圓環(huán)在V形槽內(nèi)受壓，以及在有側(cè)向約束的情況下受壓的問題。對于此種情形，圓環(huán)的大變形機(jī)構(gòu)會在兩個受載點(diǎn)中間形成塑性鉸，相應(yīng)的分析也很復(fù)雜。Choi等[14]討論了材料的應(yīng)變率效應(yīng)對圓環(huán)列系統(tǒng)的影響，指出:忽略材料應(yīng)變率效應(yīng)可能導(dǎo)致對結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平的估計(jì)值過低。有關(guān)圓環(huán)及圓管受準(zhǔn)靜態(tài)橫向載荷作用的塑性變形分析方面的文獻(xiàn)可參考[69],而動載作用下圓環(huán)及圓管的響應(yīng)特性研究可參考[1012],其中包括了理論研究和實(shí)驗(yàn)研究。近年來，國內(nèi)關(guān)于這方而的研究也取得了大量的研究成果，余同希[1]研究了利用金屬塑性變形原理的碰撞能量吸收裝置，從比耗能、相對行程和承載力的穩(wěn)定性等指標(biāo)對各類能量吸收元件進(jìn)行比較。余同希[3] [15]還對圓環(huán)、圓管、方管等結(jié)構(gòu)的耐撞性進(jìn)行了深入研究。宋宏偉[17]對圓管等能量吸收結(jié)構(gòu)撞擊吸能特性做了研究。姜錫權(quán)對多排圓環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，其結(jié)果表明：在準(zhǔn)靜態(tài)條件下，多排圓環(huán)系統(tǒng)的力學(xué)行為基本上與單排圓環(huán)列系統(tǒng)的變形行為相類似；多排圓環(huán)系統(tǒng)的變形過程較單排圓環(huán)系統(tǒng)的變化更為平緩。曾首義等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明：圓環(huán)層數(shù)對變形影響很大，多層圓環(huán)系統(tǒng)的總變形較大，但其反力波形平緩、沒有繼生峰值。而顧紅軍等進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，對以往的