钩织烧结网状金属圆管层合结构轴向压溃吸能机理研究

The energy-absorbing cushion characteristic of metal thin-walled tube composite structure has been one of the most attractive topics for structural crashworthiness. To making effective integration of lightweight, integral rigidity, good energy absorption and low crushing peak load, this project puts forward a novel energy absorption structure, i.e., a layered structure formed from novel crochet-sintered mesh tubes and thin-walled tubes by brazing. The project is expected to reveal a relationship between the energy dissipation of the metal mesh tube and the energy comsumption of the pore collapse, rope deformation and sintering neck debonding, establish a mechanics mode of rope/wall interface to deduce the energy absorption equation during the interface stripping. Then the mixed collapse mechanism of the layered structure under the coupled effect of the mesh tube, interface and thin-walled tube is to be investigated to analyze the evolvement law of plastic hinges or area, establish the analytical model including the structure features of the mesh, the interface and the thin-walled tube, deduce energy prediction equation of the layered structure, and deeply understand the energy-absorption mechanism under the coupled effect of the mesh tube, interface and thin-walled tube. This research results have an important scientific significance and an applicaion value on the development of the novel material and structure of metal thin-walled tube energy absorbing component.

金属薄壁管复合结构的碰撞吸能缓冲特性一直为结构耐撞性研究的热点，本项目为实现其轻质、整体刚性、良好吸能和低压溃峰值的有效融合，提出一种新型钩织烧结网状金属管层合结构—超细不锈钢丝绳钩织烧结网状圆管与铝合金薄壁管层状钎焊复合。项目将揭示网孔管能量耗散与孔结构坍塌耗能、绳骨架变形耗能及烧结颈剥离耗能的相互关系，建立绳/壁面界面力学模型，推导界面破坏耗能公式。以此为基础，进而研究层合结构轴向压溃绳骨架网孔、界面及薄壁结构三者耦合作用下的混合坍塌机制与宏观变形塑性铰线（区）演变规律，建立“网孔-界面-薄壁”理论模型，提出层合结构能量预测公式，实现对层合结构网孔管，界面及薄壁管三者耦合吸能机理的深刻认识。项目研究成果对于开发金属薄壁管柱类吸能元件新型材料与结构有着重要的科学意义和应用价值。

本项目研究的新型超细软304钢丝绳钩织烧结网管与铝合金薄壁管层合结构，在汽车、轨道交通、舰船、航空航天及国防等缓冲吸能防护领域具有广泛应用前景。项目从实验、理论和数值模拟诸方面研究层合管轴向压溃变形、力学行为、吸能特性与机理。开展以下研究工作：1)层合管组件压溃变形与吸能机理研究：首先，研究钩织烧结网管（CSMT）轴向压溃力学行为与吸能特性，研究其变形与吸能机理、建立能量吸收与几何关键参数关系式。研究表明，CSMT压溃耗能为绳骨架网孔坍塌致密化渐进式堆垛过程吸能，与金属薄壁管典型褶皱形成塑性铰吸能完全不同。CSMT质轻、多孔、连续绳骨架，长而稳定吸能平台，大塑性变形不断裂，高压溃力效率、无初始峰值，使其非常适合作为能量吸收组件应用；其次，研究基体金属薄壁管轴向压溃力学行为，揭示吸能特性与机理、建立耗能公式；2）层合管压溃能量耗散机理研究：首先，优化钩织烧结网管与基体金属薄壁管层合和结合方式，制备外复合、内复合、夹网管、夹薄壁管4类层合管；其次，研究层合管轴向压溃力学行为，揭示绳/壁面界面耗能效应，揭示层合管耦合吸能特性与机理，建立层合管能量耗散公式。研究表明，紧配合层接内外网管夹薄壁三层合管承载能力、变形稳定性，压溃力效率较优，具有更好的结构耐撞性，更适合防护结构实际应用。层合管能量耗散主体为基体金属薄壁管，由薄壁管褶皱塑性铰吸能与钩织网管孔结构坍塌致密化吸能复合而成。低承载能力钩织烧结网管改善基体金属薄壁管吸能特性，不在于其自身独立能耗能力，而在于其多孔和绳骨架结构可沿径向扩展大塑性变形不断裂，其对金属薄壁管塑性褶皱向内外变形产生约束力，改变金属薄壁管径向受力，从而改变褶皱变形模式、长度、个数从而改变结构吸能。内外网管夹薄壁管三层结构中吸能的复合界面效应显著。项目成果对于开发缓冲吸能防撞材料与结构提供一定的理论依据和方法参考。