嵌套圆管在侧向载荷下的吸能特性研究

工程科学与技术，国际期刊24（2021）579全文文章水平荷载作用是的，这是Kahkovan，OrtagovanAkdikmen工程学院，机械工程系，Sakarya大学，土耳其阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2020年2020年12月30日修订2021年1月4日接受2021年1月30日在线提供保留字：嵌套结构横向承载钢管能效比能量吸收A B S T R A C T本文研究了嵌套圆管在侧向载荷作用下的吸能特性。嵌套管被认为是能量吸收结构的替代品，用于许多行业，包括汽车，军事和航空航天。实验中使用了相同壁厚不同直径的钢管。首先，进行了单根钢管的试验，详细研究了钢管在水平荷载作用下的变形行为。之后，对嵌套管样品进行实验，其中以不同的数量和顺序一起使用最少2个和最多6个管。从实验中可以看出，在能量吸收能力方面最好的嵌套管配置是包含6个1767 J管的样品。虽然该样品比具有5个管的样品吸收高5%的能量，但是比能量为1767 J。计算出的分离值低10%。此外，具有6个管的样品在能量效率方面具有43%的值，与具有5个管的样品相比低7%。当考虑比能量吸收能力、工作效率和能量效率参数时，确定了具有5个管的样品产生最有效的设计。©2020 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍由于其有效的能量吸收能力，金属管优选作为许多不同应用（例如车辆、飞机和火车）中的能量吸收装置在过去的半个世纪里，对薄壁管进行了大量的研究在这些研究中，具有不同横截面（圆形、方形、三角形等）的薄壁管被设计成不同的形状[1[4此外，不同的加载条件，如准静态[7-9]和冲击载荷[10-12]作为一个根据管的轴向[13-18]和横向[19- 23]载荷类型，研究也可分为两大类轴向加载管的研究在文献中占有最大的部分，因为与横向加载相比，轴向加载管具有更高的能量吸收能力。虽然轴向加载管提供了一些优点，但是压缩力的大波动和不同的变形模式（与几何特性相关地发生）是其一些缺点。此外，弯曲*通讯作者。电子邮件地址：kahraman@sakarya.edu.tr（Y. Kahkan）。由Karabuk大学负责进行同行审查。无折叠和离轴载荷是这些管作为不稳定变形模式的主要限制之一。与轴向载荷相反，对于大位移，力曲线具有几乎恒定的值，并且在管的侧向压缩期间没有不稳定的变形模式[23]。对于平板间水平受压筒体结构的变形性能和能量吸收能力的研究很多。除了实验研究，还有一些理论[24Yella等人[24]通过实验研究了横向运动受限的管道他们报告说，这些管子吸收的能量是不受约束的管子吸收的能量的三倍。Deruntz和Hodge[25]导出了短长度圆管的压缩力公式Reid和Reddy[26]通过考虑应变硬化效应改进了理论模型。Gupta等人[27]通过实验和数值方法研究了圆形、三角形和方形管在径向载荷作用下的情况。他们报告称，在相同厚度的样品中，直径较小的管在较高的力下发生变形，并且这些管吸收能量的能力他们还发现，具有相同横截面积的方形截面管比三角形截面管吸收更高的能量。Alghamdi[29]，他编写了关于具有不同交叉的管结构的研究，https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.01.0022215-0986/©2020 Karabuk University. 出版社：Elsevier B.V.这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchYa，sarKaharanandOrtagaranAkdikmen工程科学与技术，国际期刊24（2021）579580-横截面积，表明变形行为是更稳定的径向负载比轴向负载。由于在侧向压缩下获得的吸收能量较低，因此在管道中填充泡沫[30，31]，或者在一些研究中使用多管配置[32，33]以增加吸收能量。Olabi等人[33]研究了多管样品的横向压碎行为，该样品通过使用三个不同直径的管在准静态载荷下获得，从侧面自由和限制。Yu等人[34]提出使用由三个管组成的多管样品，以吸收爆炸效应并通过实验和数值分析了这个样本。他们发现，所提出的样品组合提供了最稳定和有效的能量吸收值。他们还证明，在本研究中开发的具有较低重量的多管适配门设计与其对应物一样抑制爆炸关于包含3个以上管的嵌套管的性能的文献因此，本研究旨在研究包含最少2个和最多6个管的嵌套管的变形行为和能量吸收能力嵌套管由四种不同直径的相同壁厚的钢管制成根据能量效率方面的各种标准评估样品2. 实验研究2.1. 材料特性和样品制备实验中使用了四种不同直径的具有相同壁厚的无缝DIN S235JR钢管。制造商给出的钢管最低屈服强度为235 MPa，抗拉强度为360 MPa- 510 MPa。为了确定钢管的机械性能，根据ASTM-E8/E8 M进行拉伸试验09标准，适用于直径大于19 mm的管道作为结果发现，屈服强度和拉伸强度274 MPa和465 MPa，伸长率为21%。通过机械加工95 mm的管获得钢管，直径为45 mm、38 mm和24 mm，10 mm壁厚。通过该过程，确保了壁厚在整个横截面中相等，并且防止了在实验重复期间可能发生的散射。钢管编码为最大直径ST-1和最小直径ST-4（单管），这些管用于嵌套管样品组合。钢管示意图见图1，钢管几何尺寸见表1。在确定Fig. 1. 实验用钢管示意图表1钢管的几何尺寸样品名称直径（mm）t（mm）宽度（mm）St-1902. 540St-242.52.540St-3352.540St-4202.540管直径，特别考虑到两个ST-2管可以插入ST-1管。通过以不同组合使用ST-1-ST-4管获得嵌套管样品用于创建嵌套管的管应在加载之前保持适当的设计，并且在实验期间也应保护其对齐。设计了一种特殊的装置，以确保管组装中的在将管放置在设备上之后，通过使用电弧焊接方法在管接触的地方（仅在管的上表面侧图 2、此专用仪器，两管在焊接前顺序排列，并将待测样品（点焊）照片一并给出。在图3中，给出了嵌套管样品的实验前图像。根据试管总数将样品分组样品名称中的数字表示样品中试管的数量，字母表示该组中的索引两个主要标准用于形成嵌套管;i- 在所有嵌套管组合（除了NT 2）中，内管根据它们是否与主管接触而对齐。ii- 每个ST管应在每个嵌套管中至少使用一次。然而，由于NT2和NT3样品中的单管数量，这无法应用如可见于图 3中，在样品组合中使用至少两个且最多六个管。由于NT2样品用于检查多个管的变形行为，因此在该组中仅使用一个样品组合。在NT6组中，同样仅使用一种组合，因为在管的序列中不能创建不同的组合。嵌套管中ST-1/4管的数量及其重量见表2。2.2. 实验装置采用图4所示的容量为250 kN的四柱液压机对单根和嵌套钢管试样进行了准静态试验。力-位移对的数据以6个数据/s的频率与实验同时记录。在实验中，变形速率被确定为60 mm/min，并且通过使用照相机记录所有实验3. 结果每个样品组合重复实验至少三次，但使用具有平均值的曲线以避免数据复杂性。所有样品的最大位移值确定为计算压碎值的85%这种情况是特别优选的，以防止由管中的过度变形引起的损坏，并保护测试装置免受可能由于高的力值而发生的损害ST-1型管一直被用作套管成型的主要管材通过在ST-1中以不同数量和/或不同顺序放置其他管，获得不同的Ya，sarKaharanandOrtagaranAkdikmen工程科学与技术，国际期刊24（2021）579581图2.用于连接管和样品管的装置（a）焊接过程中使用的装置，（b）焊接前的管，以及（c）嵌套管的焊接视图。3.1. 钢管在横向荷载作用下的变形在文献中有许多关于具有不同横截面面积的金属管（例如圆形、方形、三角形或椭圆形）的横向变形的研究。而圆管的破碎行为和破碎机理是目前研究最多的。除了试验研究外，还对圆管在横向荷载作用下的理论模型进行了研究。如图5所示，圆管在横向载荷作用下的变形是由四个静止的塑性铰产生的，其中两个垂直放置，另一个水平放置。在横向载荷作用下，竖向铰相互靠近，而水平铰相互远离。根据研究，也就是说，厚度的增加和直径的减小提高了平均压碎载荷和吸收的能量[13]。ST-3管在两刚性板之间径向受压时的力-位移曲线如图所示。 5.根据钢管的变形特性，曲线可分为两个主要部分这些; i）平台区域，其中管在几乎恒定的载荷下变形，并且管直径沿力的方向减小，以及ii）完全压缩区域，其中力快速增加在平台区，管截面在力的作用下由圆形转变为椭圆形在这个阶段，当侧面上的点1和2彼此远离时，点3和4彼此靠近。在力-位移曲线中平台区域结束的阶段之后对于屈服强度低的管尤其如此在连续加载的情况下，当上、下当表面下降到某一值以下时，发生完全压缩情况和力值的突然增加。在图6中，force–displacement curves of single steel tubes在具有大致相同强度的管中，可以看出，管直径对力曲线具有主导影响。可以看出，初始和平台强度值随着直径的减小而增加，与文献[27]一致。可以看出，在ST-1样品中，平台区开始和结束时的力值保持大致相同，并且随着直径的减小而增加。这是因为较小直径的变形所需的力矩高于大直径样本[33]。因此，即使ST-4样品不具有最高的吸收能量，也在ST-4样品中获得最高的比能量吸收这些样品的吸收能量和比能量吸收（SEA）值在表3中给出。3.2. 嵌套管图第七章表示通过将ST-2管放入ST-1管中而在实验中，观察到变形如预期的那样从ST-1管的上部开始，并且力与ST-1管类似地进行然而，如图所示，在40 mm的位移下，ST-1管接触尚未变形的ST-2管，并且这两个管在进行中的过程中一起变形此时，ST-2管也加入了变形，增加了与实验开始时相似的力曲线。这种情况使得力曲线具有阶梯特性。Ya，sarKaharanandOrtagaranAkdikmen工程科学与技术，国际期刊24（2021）579582图3.实验嵌套管配置。表2嵌套管中ST-1/4管的数量和嵌套管的重量样品名称管类型重量（g）St-1St-2St-3St-4NT21100313NT3-A1200411NT3-B1101355NT3-C1101355NT4-A1111435NT4-B1111435NT4-C1201454NT5-A1121515NT5-B1211533NT5-C1211533NT61221613见图8。表示NT 3嵌套样本在横向载荷下的力-位移曲线。由于在NT 3-A样品中使用了两个ST-2管，因此这些管与ST-1管接触。在NT 3-B和NT 3-C样品，ST-2和ST-4管通过改变它们的位置来使用。当检查曲线时，由于NT 3-A样品中的管的接触，变形开始Ya，sarKaharanandOrtagaranAkdikmen工程科学与技术，国际期刊24（2021）579583图4.侧向加载前的嵌套管。表3ST-1 - ST-4管的吸收能量和比能量吸收（SEA）值。样品名称吸收能量（J）比能量吸收（J/g）St-15442.54St-24134.21St-35166.48St-43648.48图5. ST-3管在横向载荷下的图第六章ST管在横向载荷下的并且在所有管中同时进行。作为这种预期情况的结果，形成了与NT2样品中的阶梯曲线相反的均匀曲线。另一方面，在一项研究中，图7. NT 2样品在横向载荷下的见图8。NT 3组样本在侧向载荷下的力-位移曲线。由于NT 3-B和NT 3-C样品中的三个管独立地和顺序地变形，所以获得了类似于图7的三阶曲线。力曲线中的这种阶梯状情况在允许力在期望位移下以期望速率增加方面似乎是关键问题。在这一点上，在ST-1管之后，这两个样品中ST-2管而不是ST-4管继续变形的原因如上所述。因此，应考虑到，Ya，sarKaharanandOrtagaranAkdikmen工程科学与技术，国际期刊24（2021）579584在嵌套管组合中，变形将从大直径管继续到小直径管。图 9.，给出了NT 3试样的能量-位移曲线在图中，可以看出，由于NT 3-B和NT 3-C样品的力曲线中的阶梯结构，能量曲线由具有不同斜率的三个不同区域组成在NT 3-A样品中NT 3-C样品在三种样品中吸收最少的能量当将该值作为参考时，可以看出使用相同管的NT3-B样品提前约5 mm此外，从图中可以看出，可以理解的是，NT 3-A样品提前15 mm达到该能量值，并且吸收了1126J能量，比NT 3-C样品多约47%。图10.表示NT 4样品组合的力-位移曲线，图 十一岁表示这些样品的能量-位移所有单管均用于创建该组中的样本。在NT 4-C以外的样品中，可以看出管彼此不完全接触。在NT 4-B样品中，因为外管在约40 mm后首先与内管接触，所以力曲线在40 mm内具有ST-1管的弯曲特性 这种情况反映在图1所示的能量值中。 十一岁此外，能量曲线显示出低的增加趋势，直到40 mm的位移值。结果，在该样品中获得该组中的最低能量为893J。NT 4-C样品中的管与ST-1管接触的事实然而，在大约25 mm的位移值之后，NT 4-A样品中的ST-3管参与变形，因此样品的力值更高。 当能量曲线在图中给出时。 十一岁通过检查，可以看出，NT 4-C样品在高达40 mm的位移下具有较高的能量值，但是在25 mm的位移后，NT 4-A样品的曲线的增加更高。此外，该样品吸收的能量比NT 4-B样品高53%这种情况非常重要，因为它可以显示力的逐渐增加对精确设计的吸收能量值的积极影响。最后，能量值为750J，如图9所示，时获得45 mm位移值，比NT 4-A样品中的NT 3-A样品低约5 mm。图10. NT 4组样本在侧向载荷下的力-位移曲线。图11. NT 4组试件在侧向载荷作用下的能量-位移曲线。图9. NT 3组试件在侧向载荷作用下的能量-位移曲线。在图12中。和图13，给出了NT 5试件组合的力-位移曲线和能量-位移曲线。在这些样品中，试管与NT 5-B/C样品接触。因此，这两个样品的初始力高于NT 5-A样品，如图所示。 12岁虽然使用了相同的管，但与NT 5-B样品不同，在NT 5-C样品中ST-3和ST-4管被放置在ST-2管 可以看出，这种变化导致NT 5-C样品（具有相同强度的样品之一）形成另一个台阶，该台阶增加了约20 mm位移处的力值（图11）。 12.）。 这种情况在图1所示的能量曲线中也很明显。 13岁可以看出，在开始时具有最低能量曲线斜率的NT 5-A样品的曲线高于该样品的能量曲线，这是由于NT 5-B样品中的管布置具有大约25mm的位移。通过检查，可以看出，在用相同管的不同对准产生的NT 5-C/B样品中 达 到 750 J 的位移值之间存在大约10 mm的差异。Ya，sarKaharanandOrtagaranAkdikmen工程科学与技术，国际期刊24（2021）579585图12. NT 5组样品在侧向载荷下的力-位移曲线。图14. NT 6样品在横向载荷下的图13. NT 5组试件在侧向载荷作用下的能量-位移曲线。图 十四岁表示NT 6样品的通过将两个ST-2和ST-3管以及一个ST-4管放入ST-1管中来制备样品。力的开始似乎与试管接触的此外，由于ST-3管以约6 mm的位移参与变形，形成力值的第二阶。当能量-位移曲线如图15所示。的能量值，可以看出，图中的750 J能量值。第九章在该样品中在30 mm处被吸收吸收的总能量为1767J。该值分别比NT 5组应该注意的是，该样品中使用的管的数量影响样品的压碎NT3组的挤压位移值为65 mm，甚至无法达到NT6样品中的55mm位移值。在图16中，同时给出每组中具有最高能量的样品的在NT4图15. NT 6试件在侧向荷载作用下的能量-位移曲线。仅样品，内管遇到外管。因此，其他三个样品的初始强度值彼此大致相同，并且约为NT4样品的两倍。在力值的设计中产生阶梯结构的事实也是一个值得注意的力曲线的第一次二次增加发生在NT6样品中6 mm位移处。可以看出，上述破碎位移值大约低10 mm在NT6样品中比在NT4样品中。可以看出，NT4样品的曲线虽然在开始时较低，但在25mm位移处上升到NT3样品之上，具有阶跃效应。这种情况对于揭示设计在此类样本中的重要性非常关键。图1给出了上述样品的能量-位移曲线。 十七岁可以看出，NT6样品中的能量值比其他样品中的能量值增加得更快这种情况可以解释为NT6样品的力曲线的有效逐渐增加的结果。考虑到最大吸收能量值，NT 6样品的最大吸收能量值比NT 3、NT 4和NT 5样品的最大吸收能量值高约57%、30%和5%Ya，sarKaharanandOrtagaranAkdikmen工程科学与技术，国际期刊24（2021）579586¼¼中文（简体）比能量（SEA）。该参数定义为每单位重量的吸收能量，其数值表达式在等式（1）中给出。SEAEMð1Þ其中m是能量吸收结构的总质量，E是吸收的总能量吸收能量（E）对应于结构的力-位移曲线下的面积它可以用公式（2）中给出的积分计算。EZdF d20图16. NT 3-A、NT 4-A、NT 5-C和NT 6样本在侧向载荷下的图十七岁NT 3-A、NT 4-A、NT 5-C和NT 6的能量-位移曲线在表4中，一起给出了实验研究中使用的嵌套管样品的吸收能量、总重量和计算的SEA值。不可忽视的是，在NT 3组中吸收最高能量的NT3-A样品在SEA值方面不是该组中最有效的。此外，可以看出，在NT2和NT6样品中分别获得了最低和最高的能量吸收。然而，考虑到样品重量，NT 4-B和NT 5-C样品分别获得最高和最低SEA值。因此，可以得出结论，吸收比NT 2样品高约26%的能量的NT 4-B样品不是有效的设计。类似地，可以说NT 5-C样品比NT 6样品吸收少5%的能量，在设计方面比该样品更有效。每组中具有最高能量的样品的SEA值一起显示在图1中给出的条形图中。 十八岁NT 5-C样品的SEA值比NT 3-A样品高约16%。虽然NT 6样品在吸收能量方面比NT 5-C样品高5%，但计算得出的SEA值低10%（图11）。 18.）。可以说，这是因为在设计中，NT 6此外，虽然NT4-A样品吸收少24%的能量，但就SEA值而言，它几乎（SEA值的差异为~1%）等于NT 5-C样品。为了确定最有效的设计，除SEA参数外，还应考虑方程中给出的工作效率（Weff）并且还考虑等式（4）中给出的能量效率（eE）参数Weffl/SEA×eg300样品EeE¼Fmax×dð4Þ分别此外，如果对于相同的位移重新计算能量值，则NT6样品吸收的能量比具有最低能量的NT3样品高约132%，比NT5样品高约22%。3.3. 吸能特性众所周知，能量吸收结构的主要优先事项是吸收尽可能高的能量在这种情况下，使用增强元件或强度增加方法来最大化能量值是研究中的常见情况然而，重要的是吸收的能量不仅要高，而且要有效率.因此，如果当使用在管结构中提供能量增加的方法时存在能量效率的降低，则该方法不应该是优选的。Yella[26]在其关于管状结构能量效率的研究中确定了有效吸能结构的一些准则。其中一个标准是吸收能力如等式（3）中所示，表示压碎位移效率，并将其计算为样品可被压碎时的位移值与样品的原始直径的比率。在等式（4）中，E是吸收的能量值，Fmax表4嵌套试管样品的SEA值。样本嵌套管，（NT）重量（g）能量（J）SEA（J/g）NT23137092.26NT3-A41111262.74NT3-B35610052.83NT3-C3567662.15NT4-A43513623.13NT4-B4358932.05NT4-C45412102.67NT5-A51516103.13NT5-B53313802.59NT5-C53316923.17NT661317672.88Ya，sarKaharanandOrtagaranAkdikmen工程科学与技术，国际期刊24（2021）579587图18. NT 4-A、NT 5-C和NT 6样品的SEA值。是力-位移曲线上的最大力值这里，根据等式（4）中给出的参数，可以适当地说，具有接近矩形的形式的力-位移曲线的能量吸收结构图 19、NT 4-A、NT 5-C和NT 6样品计算的W_eff和e_E值在该阶段，不考虑在SEA方面具有低性能并且比其他样品吸收低得多的能量的NT 3-A样品，在NT 4-A、NT 5-C和NT 6样品之间进行评价从图中可以清楚地看出，对于两个参数表现出最有效性质的样品是NT5-C。该样品在能源效率方面的价值为50%与该值最接近的比率是NT6样品中的43%虽然与NT 4-A样品在工作效率值上存在明显差异，但与NT 6样品的差异非常小因此，NT 5-C样品在SEA、W_eff和e_E方面比其他嵌套管更有效此外，由该样品吸收的能量非常接近于吸收最高能量的NT6样品的事实表明，它可以优选用于能量吸收结构。如果更高的能量值图19. NT 4-A、NT 5-C和NT 6样品的工作效率（W_eff）和能量效率（E_E根据需要，样品的能量吸收能力可以通过以下方式增加：i）通过使用具有较大直径的管来增加位移值，以及ii）通过使用具有相同管直径的较宽管来向上移动力值。4. 结论本文研究了钢管在横向荷载作用下的变形行为及其能量吸收能力。除了单根钢管外，还在实验研究中使用了由这些钢管制成的不同组合的嵌套管。在单管中，最高能量出现在直径最大的管（ST-1）中，然而，最高力值出现在直径最小的管（ST-4）中。力值的增加是因为直径越小，管中开始变形的力矩越大。在包含6个管（NT6）的嵌套管样品中获得的最高能量值为1767J，尽管其具有最低的压碎位移值。在确定最有效的设计，比能量吸收能力，工作效率，能源效率参数，以及吸收的能量。因此，使用嵌套管配置（NT 5-C）的5个管在所有三个参数中提供的值均高于所有其他样品，已成为最有效的设计，尽管它没有吸收最高的能量。如果在相同的几何尺寸中需要更高的能量值，则可以使用更高强度的管。在几何尺寸变化不显著的情况下，可以通过使用较大直径的管来增加挤压位移值。此外，根据管宽的增加，通过向上竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。引用[1] M.A. Guler，M.E.塞里特湾拜拉姆湾Gerçeker，E. 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