材料与结构的能量吸收内容简介

本书是世界上该领域首部专著“Energy Absorption of Structures and Materials”(2003年由Woodhead出版,作者Guoxing Lu and Tongxi Yu)的中文版。本书以深入浅出为特色，同时又具有严谨完整的理论论述，在实验观测的基础上突出问题的物理本质，强调力学模型分析以及结果的工程意义。本书适合于科技工作者、工程师、研究生及本科高年级学生用以系统学习这一领域的知识或在研究与设计工作中参考。

I S B N ：750257946X

版 次：初版

开 本：小16开

包 张：平装

l绪论

1．1车辆事故及其后果

1．2能量吸收结构/材料的应用

1．3设计能量吸收结构和选择能量吸收材料

2能量吸收能力的分析方法

2．1材料行为的理想化

2．2极限分析和界限定理

2．3大变形效应

2．4动载荷效应

2．5能量法

3量纲分析和实验技术

3．1量纲分析

3．2小尺度结构模型

3．3实验技术

4圆环和圆环系统

4．1一对集中力作用下的受压圆环

4．2一对集中力作用下的受拉圆环

4．3集中力作用下的固支半圆拱

4．4两平板对压下的圆环

4．5横向受约束的圆管

4．6端部受撞击的一维圆环系统

4．7圆管阵列的横向压溃

4．8其他圆环/圆管系统

4．9小结

5横向载荷作用下的薄壁构件

5．1集中力作用下的圆管

5．2钝楔对圆管的压人

5．3薄壁构件的弯曲破坏

5．4其他加载系统与评论

6轴向压溃的薄壁构件

6．1圆管

6．2方管

6．3帽形和双帽形截面

6．4泡沫充填效应

6．5进一步评论

7结构碰撞与惯性敏感性

7．1碰撞引起的结构局部变形

7．2惯性敏感能量吸收结构

8伴随有韧性撕裂的塑性变形

8．1撕裂能量的测量

8．2金属圆管的轴向劈裂

8．3正方形金属管的轴向劈裂

8．4金属管的刺穿

8．5尖楔切割金属板

8．6小结

9圆柱壳和球壳

9．1管子翻转

9．2管件向内的鼻状成型

9．3球壳的翻转

9．4海底管道塌陷的传播

9．5小结

10多胞材料

10．1蜂窝材料

10．2泡沫材料

10．3木材

lO．4多胞材料对碰撞的响应

10．5多胞纺织复合材料

11复合材料和复合材料结构

11．1影响能量吸收特性的因素

11．2圆管的轴向压溃

11．3其他几何形状管件的轴向压溃

11．4管件弯曲

11．5关于复合材料管件压溃的评论

11．6复合材料包裹的金属管件的轴向压溃

11．7复合材料夹层板

12工程实例研究

12．1岩石滚落防护网

12．2利用塑料泡沫材料进行包装

12．3车辆内部装修的设计

12．4波纹梁护栏系统

参考文献

名词术语2100433B

1 绪论

1.1 车辆事故及其后果

1.2 能量吸收结构/材料的应用

1.3 设计能量吸收结构和选择能量吸收材料

2 能量吸收能力的分析方法

2.1 材料行为的理想化

2.2 极限分析和界限定理

2.3 大变形效应

2.4 动载荷效应

2.5 能量法

3 量纲分析和实验技术

3.1 量纲分析

3.2 小尺度结构模型

3.3 实验技术

4 圆环和圆环系统

4.1 一对集中力作用下的受压圆环

4.2 一对集中力作用下的受拉圆环

4.3 集中力作用下的固支半圆拱

4.4 两平板对压下的圆环

4.5 横向受约束的圆管

4.6 端部受撞击的一维圆环系统

4.7 圆管阵列的横向压溃

4.8 其他圆环/圆管系统

4.9 小结

5 横向载荷作用下的薄壁构件

5.1 集中力作用下的圆管

5.2 钝楔对圆管的压入

5.3 薄壁构件的弯曲破坏

5.4 其他加载系统与评论

6 轴向压溃的薄壁构件

6.1 圆管

6.2 方管

6.3 帽形和双帽形截面

6.4 泡沫充填效应

6.5 进一步评论

7 结构碰撞与惯性敏感性

7.1 碰撞引起的结构局部变形

7.2 惯性敏感能量吸收结构

8 伴随有韧性撕裂的塑性变形

8.1 撕裂能量的测量

8.2 金属圆管的轴向劈裂

8.3 正方形金属管的轴向劈裂

8.4 金属管的刺穿

8.5 尖楔切割金属板

8.6 小结

9 圆柱壳和球壳

9.1 管子翻转

9.2 管件向内的鼻状成型

9.3 球壳的翻转

9.4 海底管道塌陷的传播

9.5 小结

10 多胞材料

10.1 蜂窝材料

10.2 泡沫材料

10.3 木材

10.4 多胞材料对碰撞的响应

10.5 多胞纺织复合材料

11 复合材料和复合材料结构

11.1 影响能量吸收特性的因素

11.2 圆管的轴向压溃

11.3 其他几何形状管件的轴向压溃

11.4 管件弯曲

11.5 关于复合材料管件压溃的评论

11.6 复合材料包裹的金属管件的轴向压溃

11.7 复合材料夹层板

12 工程实例研究

12.1 岩石滚落防护网

12.2 利用塑料泡沫材料进行包装

12.3 车辆内部装修的设计

12.4 波纹梁护栏系统

参考文献

名词术语 2100433B

大量的实验研究证明用复合材料结构作为能量吸收元件要比一些常用的金属材料结构具有较高的能量吸收能力，并且压溃载荷分布均匀。复合材料管状结构作为能量吸收元件已经在航天、航空、各类运输系统、建筑和运动器材等其它防护装置方面得到越来越广泛的应用。复合材料结构的能量吸收机理和能力既不同于传统的刚度、强度等机械性能，也不同于复合材料结构在载荷作用后的损伤表征和剩余强度。因此，不论是研究的目标还是研究的手段，都有其独特之处。许多研究结果表明复合材料结构的能量吸收机理与压溃(塌陷)形态不同于金属结构。纤维的断裂及其扩展方向、基体的开裂以及纤维与基体界面的连接强度是影响复合材料结构能量吸收机理和压溃(塌陷)形态的因素。研究主要综述了有关复合材料管状结构在轴向压缩载荷和横向弯曲载荷作用下的压溃(塌陷)破坏模式和能量吸收机理，纤维材料和基体材料的性质、结构成型工艺、结构的几何参数、纤维的增强方向和铺层次序以及实验环境对结构的能量吸收能力、破坏模式和能量吸收机理的影响，以及某些有关复合材料管状结构能量吸收能力的理论预测方法。

管状结构破坏模式和能量吸收机理

（1）轴向载荷下压溃破坏模式通过大量的实验观察得出：

a)热脆性复合材料管状结构在轴压载荷作用下首先形成初始的层间裂纹并逐步分成两部份。随着压溃变形的逐步发展，沿管子内、外向分层弯曲变形的扩展将导致复合材料沿管子的周向撕裂成较多的花瓣形状的纤维束(条)最终产生蘑菇形状的破坏。这种破坏模式具有连续稳定的压溃变形过程和较高的能量吸收能力如图4(a,b,c)所示。

b)某些热脆性复合材料管状结构在轴向载荷作用下，管内的纵向裂纹将沿着管子的周向迅速扩展而方锥形管子四角处的纵向裂纹也将沿管子的周向迅速扩展从而发生突然的脆性断裂破坏，如图4(d,e)。所示此种压溃模式是一种非稳定的破坏模式并使其能量吸收能力大大降低。

c)通过对非常薄的复合材料圆管和半角小于15°的方形锥管进行轴向压溃破坏试验，发现该类型复合材料管子在轴向压溃过程中产生变形铰并绕着该铰产生折叠如图4(f)。

复合材料增强金属内衬管子在轴向载荷作用下的压溃破坏模式主要为：

a)当复合材料增强金属管子的界面连接强度足够大时，轴向压溃模式取决于金属内衬的轴向压溃模式如图5a所示。

b)当复合材料增强金属管子的界面连接强度较弱时，纤维增强层将与金属内衬脱层分离导致该结构压溃破坏如图5c所示。

c)当金属内衬材料的延性较差时，将呈现花瓣状压溃破坏模式或突然脆性断裂如图5b和图5d所示。

（2）弯曲载荷作用下塌陷破坏模式

对于复合材料的防护拦和运输载体防撞裙边结构而言主要考虑在横向弯曲载荷作用下该结构的能量吸收能力和破坏模式。研究复合材料管状结构在端部固支约束条件下的弯曲能量吸收能力和相应的破坏模式。研究方形和矩形复合材料管子的弯曲塌陷破坏模式如图6所示。管子的顶部表层是压缩变形层，管子的底部表层是拉伸变形层，管子的两个侧面既有压缩变形又有拉伸变形。管子三个不同变形特征区域的破坏模式具有很大的差异，另外在管子四个直角部位的应力集中效应也会对复合材料管子的弯曲塌陷模式有很大影响。在靠近管子固支端部的顶层表面压缩区域发生局部屈曲并在该区域的纵向对称轴附近出现许多垂直于管子纵向对称轴的横向微裂纹。

（3）复合材料管结构能量吸收机理

随着复合材料管状结构的压溃(塌陷)变形发生和持续，其结构内的初始微裂纹开始不断扩展，并导致结构呈现出的最终宏观破坏模式：层合结构的分层，横向剪切破坏带以及纵向和横向裂纹带并伴随着结构的能量耗散(吸收)。导致复合材料层合圆管压溃破坏的机理主要有三种形式：1)分层弯曲，2)横向剪切，3)局部屈曲，如图6。所示分层弯曲破坏机理的特征表现为层合结构在平行于复合材料管状结构纵向出现多层分层或裂纹，其分层长度和裂纹长度远大于该复合材料结构层的厚度。伴随着结构压溃变形过程，分层折叠弯曲扩展的新的分层表面与轴向载荷平板表面发生的相对摩擦力是该结构在此种压溃破坏模式下能量耗散的一种因素。横向剪切破坏机理的主要特征为：沿垂直于层合结构横截面的方向呈现多处短的并穿透结构层厚度的楔形纵向裂纹和部分纤维层之间较短的纵向裂纹。横向剪切破坏形态的能量吸收机理是源自穿透结构层的楔形纵向裂纹沿纵向扩展以及分离的纤维束(板条)子层沿管子的周向发生弯曲断裂时的能量耗散。对于延性较好的纤维增强复合材料结构而言局部屈曲纤维层的压缩边呈现较大的塑性变形而在拉伸边则将纤维层撕裂产生局部分层。

方形和矩形截面复合材料管状结构在弯曲载荷作用下结构的弯曲、分层屈曲和剪切破坏形态如图7所示。弯曲破坏的表现为复合材料管状结构上下表面的纤维层与基体破裂。分层破坏主要发生在层合结构的中层面附近。剪切破坏形态为纤维层和基体发生贯穿结构横截面断裂。管子顶部层压缩区域的破坏形态为：a)基体材料的剪切变形断裂；b)分层裂纹并沿结构的纵向轴扩展；c)垂直于管子纵向对称轴的横向裂纹。管子底部层拉伸区域的破坏形态为：a)纤维从基体内拔出；b)纤维与基体之间的连接界面发生分离；c)纵向纤维层断裂与分层。管子四角奌的应力集中引起角奌附近区域开裂并影响管子顶部层压缩区域的屈曲特性。

管状结构组份材料对结构能量吸收的影响

研究结果指出碳纤维增强的热脆性成型圆管的能量吸收能力要远大于玻璃纤维和有机纤维(Kevlar)增强的热脆性成型圆管的能量吸收能力。实验结果发现二维三轴编织复合材料具有高的平面剪切刚度和强度，高的损伤容限和良好的抗扭曲变形的能力。适当的Kevlar纤维和玻璃纤维或碳纤维混杂在三轴编织复合材料圆管结构中，可以提高该混杂纤维增强复合材料圆管结构能量吸收能力。通过对复合材料增强金属圆管能量吸收能力和轴向压溃长度的理论预测分析和计算，发现金属内衬材料的机械性质也将影响复合材料增强金属圆管的轴向压溃破坏模式。

管状结构实验环境对能量吸收能力的影响

研究加载速率对于复合材料结构在压溃变形过程中形成的层间分层表面之间磨擦机理的影响。并且指出，在动态载荷作用下薄壁的玻璃纤维/聚脂复合材料圆管、方管和锥型管的能量吸收能力低于其相应结构在静态载荷作用下的能量吸收能力。研究环境温度、湿度和界面强度对玻璃纤维布/环氧复合材料管子压溃破坏模式及其能量吸收能力的影响，试验结果表明随着结构的温度升高复合材料圆管的能量吸收能力将降低。另外复合材料管状结构的能量吸收能力还将随着材料的水份增加而降低。

管状结构理论预测方法

以实验观察为基础，建立相应的理论预测模型通过合理的计算方法和优化设计使得该类结构具有最大的能量吸收能力，一直是该领域的研究工作者非常关注的焦点。基于一个在弹性基体上的柱屈曲方程，给出复合材料圆管结构压溃(蹋陷)力的理论预测公式。以分层内、外折叠弯曲压溃破坏模式为依据给出了理论预测复合材料圆管在压溃过程中结构吸收能量的解析表达式。利用有限元计算方法来预测复合材料圆管的压溃载荷。利用DYNA3D应用程序软件包计算各种几何参数的复合材料管状结构的轴向压溃载荷，并且指出利用有限元程序来预测复合材料管状结构的压溃模式的难点和应注意的地方。

通过对近年来有关复合材料管状结构能量吸收机理和压溃(蹋陷)破坏模式能量吸收能力的主要研究回顾，可以看出复合材料结构的能量吸收机理和压溃(蹋陷)破坏模式远比金属结构件复杂、并有许多问题有待进一步的深入研究。如：

a)纤维材料的纺织结构和不同类型纤维材料的混杂效应以及界面的连接强度对结构破坏模式和能量吸收能力的影响。

b)纤维增强金属管状结构的能量吸收机理和压溃(蹋陷)破坏模式和理论预测方法的进一步深入的研究。

c)各种实验环境对复合材料管状结构件压溃(蹋陷)破坏模式和能量吸收能力的影响。

d)组份材料的微观破坏机理与复合材料管状结构的能量吸收能力之间的关系。

本书阐述结构和材料在静载荷和冲击载荷作用下的能量吸收，是世界上该领域的第一部系统专著。本书着重于对基本概念、简单结构元件和常用工程材料的论述，同时结合了能量吸收装置的设计、车辆耐撞性的评估以及减轻冲击损坏的包装设计等当今社会和工程界关注的热点问题。

全书共12章，第1章介绍工程背景和碰撞能量吸收装置的设计原则；第2章、第3章分别介绍理论和实验研究的基本原理和方法；第4章～第9章考察了常见简单构件在不同加载条件下的能量吸收；第10章研究了具有优良能量吸收特性的多胞材料；第11章对复合材料及其结构的研究做了概括；第12章包含了四个工程实例研究。

本书可供机械和结构工程师，对结构和材料防撞设计和能量吸收评估有兴趣的研究工作者阅读、参考，也可用做力学、机械、航空航天和材料科学等专业师生的教学参考书。