IMECH-IR  > 流固耦合系统力学重点实验室
基于梯度诱导槽的薄壁圆筒轴向冲击屈曲特性优化设计及其应用
Alternative TitleOptimization design and application studies of axial impact buckling of thin-walled circular tubes based on gradient grooves
杨喆
Thesis Advisor黄晨光 ; 魏延鹏
2017
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline工程力学
Abstract薄壁圆筒吸能装置由于其简单的结构、高吸能效率及稳定的屈曲模式,被广泛应用于高温气冷堆(HTR)控制棒跌落石墨体防护、车辆碰撞安全防护、航天飞行器软着陆等。在轴向低速冲击下,薄壁圆筒可以进行动态渐进屈曲进行塑性变形吸能。在实际的工程应用中,薄壁圆筒的冲击屈曲存在如下几个问题:1.初始压力峰值过高,压缩吸能结构的吸能设计空间,降低吸能效率,增大结构失稳几率;2.传统的理论模型只能预测平均压溃力,无法对压溃力的全历程进行预测;3.屈曲模式受几何参数、载荷工况的影响很大,不能保证理想的轴对称圆环模式;4.细长圆筒易发生整体Euler失稳,在细长杆自由落体冲击工况下,Euler失稳的几率大大增加,如何提高稳定性是人们最关心的问题之一。 本文针对薄壁圆筒冲击屈曲存在的过高初始压力峰值、压溃力历程不可预测、屈曲模式不可控、冲击屈曲易Euler失稳的问题,提出了基于梯度诱导槽的薄壁圆筒冲击屈曲特性优化设计方法,在薄壁圆筒的筒壁内外布置沿筒长方向不同深度的周向矩形凹槽,进行屈曲位置、屈曲顺序、屈曲模式的控制,建立梯度凹槽筒的屈曲理论模型,推导获得梯度凹槽筒的压溃力历程理论预测公式,实现薄壁圆筒冲击屈曲行为的全历程控制及预测,主要工作及研究进展包括以下几个方面: 1.提出了基于梯度诱导槽的薄壁圆筒冲击屈曲全历程的优化设计方法。结合理想刚塑性Alexander塑性铰模型及梯度凹槽控制的圆环模式渐进屈曲模型,推导获得了二次函数形式的屈曲全历程的分段压溃力理论公式,可进行梯度凹槽筒的屈曲压溃力全历程预测, 在落锤冲击试验中,梯度凹槽筒展现出屈曲模式、位置、顺序的可控性及压溃力历程的可预测性,验证了梯度凹槽控制理论的可靠性及梯度凹槽对屈曲行为的可控性; 2.结合量纲分析,进行了薄壁圆筒屈曲历程可控的无量纲参数分析及构型设计。梯度凹槽筒的屈曲行为受三个无量纲参数控制:a.控制局部几何协调性的无量纲凹槽宽度W/(h+h_0),b.控制屈曲局部稳定性的无量纲凹槽深度h_0/h,c.决定屈曲模式可控性的无量纲半波长(H+W-h)/√Dh;利用理论分析、模型试验及数值计算相结合的方法,确定了无量纲参数对屈曲行为的作用规律及屈曲模式控制范围,通过赋予不同的无量纲凹槽参数来获取不同趋势的压溃力演化特征。 在高温气冷核反应堆中,控制反应速度的控制棒在遭遇地震、紧急停堆等事故时会触发自由跌落模式。因此,建立相应的缓冲吸能防护系统以吸收控制棒动能是控制棒设计体系中的重要环节。由于核反应堆内部结构的特殊性,吸能防护系统的设计面临严苛的要求,包括吸能历程的稳定性、压溃力精确控制以及高温下的运行可靠性等。将基于梯度凹槽的薄壁圆筒屈曲行为控制方法与高温气冷堆控制棒跌落防护实际工程问题相结合,进行了梯度凹槽筒缓冲装置设计及模型试验研究,验证了基于梯度诱导槽的薄壁圆筒屈曲行为控制方法实际工程应用的可行性,设计的梯度凹槽筒缓冲装置已经应用于我国首座高温气冷堆示范工程中。本部分的主要成果如下: 针对高温气冷堆中控制棒缓冲器的设计需求,进行了高温气冷堆控制棒跌落不同温度下全尺寸模型试验及数值仿真,研究了梯度凹槽筒在控制棒自由跌落条件下的可控屈曲吸能行为,与完整筒进行了屈曲模式、压溃力历程等的对比;研究了“局部应变率效应”对屈曲压溃力的峰值变化影响规律及“温度效应”对屈曲行为的作用效果,获得了石墨体的精细化应力分布;梯度凹槽筒较经典完整筒表现出了更加优异的吸能特性和抗侧向扰动能力,保持理想的圆环屈曲模式及稳定的吸能历程。 结合先进的金属SLM 3D打印工艺,将基于梯度凹槽的薄壁圆筒屈曲行为控制方法在新的材料体系中的应用进行探索研究。设计了外部完整构型与内部梯度凹槽相结合的316L不锈钢内部梯度凹槽圆筒(内部梯度凹槽筒)。针对SLM 3D打印316L不锈钢材料,进行了MTS准静态压缩试验及SHPB动态压缩试验,获得了SLM 3D打印316L不锈钢材料的静/动态力学性能,利用Johnson-Cook模型进行了参数拟合,获得了SLM 3D打印316L不锈钢的Johnson-Cook模型参数。利用落锤试验及数值计算对内部梯度凹槽筒的冲击屈曲行为进行研究,SLM 3D打印的内部梯度凹槽筒轴向冲击出现了屈曲-卷曲(buckling-splitting)吸能行为,内部凹槽可以控制屈曲起始位置及褶皱断裂位置,其行程效率(stroke efficiency)较经典的屈曲模式有一定优势。在一个结构中同时存在两个不同阶段的变形模式(屈曲-卷曲模式),具有非常高的行程效率,为工程应用提供了一个新的吸能方案及思路。
Call NumberPhd2017-022
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/60425
Collection流固耦合系统力学重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
杨喆. 基于梯度诱导槽的薄壁圆筒轴向冲击屈曲特性优化设计及其应用[D]. 北京. 中国科学院大学,2017.
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