【摘 要】
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在撞击中,能量吸收结构通过消耗冲击能量从而保护乘员或核心部件。金属薄壁结构的塑性大变形和韧性断裂能够不可逆转地吸收大量动能,且质量较轻,故常被用作能量吸收结构的主要耗能方式。相比其他薄壁结构的变形,金属圆管在刚性模具轴压下的膨胀、缩径、翻转变形具有单位质量能量吸收率（SEA）高、反力稳定且无峰值、对载荷不敏感等优势,故在工程中得到了广泛的应用。理解和优化圆管变形的能量耗散机制是冲击防护领域有重要意
【基金项目】
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国家自然科学基金（11372163）；
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在撞击中,能量吸收结构通过消耗冲击能量从而保护乘员或核心部件。金属薄壁结构的塑性大变形和韧性断裂能够不可逆转地吸收大量动能,且质量较轻,故常被用作能量吸收结构的主要耗能方式。相比其他薄壁结构的变形,金属圆管在刚性模具轴压下的膨胀、缩径、翻转变形具有单位质量能量吸收率（SEA）高、反力稳定且无峰值、对载荷不敏感等优势,故在工程中得到了广泛的应用。理解和优化圆管变形的能量耗散机制是冲击防护领域有重要意义。本论文基于能量法,对圆管模具轴压变形进行了理论研究,通过实验、仿真进行了验证,并对工程应用进行了指导。具体研究成果如下:（1）建立了金属圆管模具膨胀的理论分析模型。提出圆管模具轴压下膨胀的圆弧式变形构型,基于能量法推导出稳态膨胀的理论模型;提出临界模具半径,并以此对变形进行了分类;将理论与实验、仿真和前人理论模型进行了对比验证,结果显示该模型具有更高精度和更广的适用范围,并且可以准确预测变形构型;对SEA进行了优化,发现根据材料参数不同存在两种最优化机制,并在每种机制下给出了工程的设计准则。（2）建立了金属圆管模具缩径的理论分析模型。提出圆管缩径的临界模具半径和弧段式变形构型,并推导出缩径的理论模型;将理论与实验和仿真结果进行对比,发现其具有精度高和适用范围广的特点;通过理论模型将不同塑性变形的能量耗散进行区分,并分析得出了主导的塑性耗能机制,并通过仿真进行了验证;比较了膨胀与缩径过程能量耗散的差异,并通过理论模型进行了解释;研究了缩径过程中周向局部屈曲失效的响应特性和触发条件。（3）建立了金属圆管锥面模具翻转的理论分析模型。提出曲率线性变化的翻转变形构型,并推导出翻转的基本理论模型;基于平衡得到经向压缩的能量耗散,进而改进基本理论模型;将理论与实验、仿真结果进行对比验证,发现该模型具有精度高和适用范围广的特点;通过理论给出了能量耗散和塑性应变沿轴线的分布,发现管壁厚度方向的变形是造成误差的主要原因;推导出翻转变形所要求的最小模具半径,并讨论了模具半径对翻转过程的影响。
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