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金属圆柱壳受大质量低速冲击的屈曲变形.pdf
第 35 卷第2 期 爆炸与冲击 Vo l. 35 , No.2
2015 年 3 月 EXPLOSION AND SHOCK WAVES Mar. , 2015
DOI: 10.11883/1001-1455(2015)02-0171-06
金属圆柱壳受大质量低速冲击的屈曲变形糖
路国运,段晨澈,雷建平,韩志军,张善元
(太原理工大学材料强度与结构冲击山西省重点实验室,山西太原 030024)
摘要:对钢质和铜质金属圆柱壳的轴向冲击动力响应进行了实验研究,记录了两种不同材料圆柱壳在大
质量低速冲击下的冲击力时程曲线,得到其屈曲模态。采用高速摄像及模拟技术给出了钢质圆柱壳渐进屈曲
的全过程,为理解钢质圆柱壳的屈曲机理提供了直观的结果。黄铜质圆柱壳在大质量低速冲击下,出现整个
壳面满布屈曲波纹的塑性动力屈曲现象,说明高速冲击不是产生塑性动力屈曲的充要条件。像铜这样具有高
密度的韧性材料,在大质量低速冲击下,会在轴向产生持续的压缩塑性流作用而出现塑性动力屈曲现象。
关键词:固体力学;塑性动力屈曲;落锤;圆柱壳;塑性累进屈曲
中固分类号: 0342;TU375 国标学科代码: 1301565 文献标志码:A
在动力冲击下,圆柱壳展示出丰富的屈曲模态并表现出复杂的动力学行为以及很高的吸能效
率[l6] 。 N.Jones[lJ] 指出,通常可以将圆柱壳在轴向冲击载荷作用的动态屈曲问题分为两类,即动力累
进屈曲(dynamic progressive buckling) 和塑性动力屈曲(plastic dynamic buckling) 。所谓动力累进屈
曲,即结构从一端开始屈曲,并向另一端渐进发展P 一般认为其对应于较低冲击速度,通常可以忽略横向
惯性力的影响。而塑性动力屈曲对应的冲击速度一般较高,这种情况下的屈曲波纹(几乎同时)遍布整
个壳体,而不是像动态累进屈曲那样起先局限于冲击端而后向全长渐进发展。而 D. Karagiozova 等[7-8J
的研究表明,应变率敏感性材料的圆柱壳只出现动力累进屈曲。路国运等[9J 指出,横向惯性效应与应力
波的相互竞争是出现塑性动力屈曲的关键因素,其他因素都可围绕这两个因素加以讨论。 H. E. Lind-
berg 等[10J 在对细长杆和圆柱壳的弹性动力屈曲实验中,观察到了应力波效应对屈曲的影响,但在理论
分析中,基于屈曲形成速度远小于应力波传播速度、屈曲是在应力波来回反射多次后形成这个假设,没
有考虑应力披效应。 D. H. Chen 等[IIJ 则指出,冲击端初始峰值载荷是与冲击速度相关的,而远端基本
保持恒定。郑波等[12J 采用双特征参数法对轴对称弹性动力屈曲问题进行求解。顾红军等[口]通过实
验,研究了薄壁圆柱壳径厚比对屈曲波纹数的影响及其吸能性能。B. A. Gordienkor[14J 在实验中注意
到,轴向冲击下圆柱壳在一定条件下会发生非轴对称屈曲。王仁等[15-17J 讨论了 B. A. Gordienkor[14J 的
实验结果,并进行了一系列实验,指出圆柱壳在轴向冲击下有两种临界速度,对应于壳体发生轴对称屈
曲和非轴对称非均匀屈曲。如上所述,圆柱壳冲击屈曲对各种条件的敏感性使问题非常复杂,仍有许多
问题未能得到合理的解决。对于如何区分或在什么条件下产生动力累进屈曲还是动力塑性屈曲,目前
仍未能有明晰的界定方式。 D. Karagiozova 等[BJ 和路国运等问在讨论中,均指出了冲击速度并不是出
现塑性动力屈曲的必要条件,在适当的参数下低速冲击亦会出现塑性动屈曲现象,这个观点有待进一步
的实验验证及研究。
本文中,对钢、铜质圆柱壳进行轴向冲击实验,得到不同的屈曲模态及冲击力时程曲线。实验显示,
像铜这样的具有高密度的韧性材料,在并不高的冲击速度下出现塑性动力屈曲现象。为 D. Karagiozo-
va 等问]和路国运等[9J 关于出现塑性动力屈曲条件的讨论,提供实验依据。
1 实验装置
实验采用落锤式冲击加载试验机 DHR-9401 作冲击加载。采用压电传感器记录冲击力变化,并采
骨收稿日期: 2013-09-05; 修回日期: 2013-12-11
基金项目:国家自然科学基金项目(11072
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