能量吸收：结构与材料的力学行为和塑性分析

　　《能量吸收：结构与材料的力学行为和塑性分析》论述结构和材料在静载荷和冲击载荷作用下的能量吸收。对于能量吸收装置的设计和材料的选择，结构受到意外撞击时的耐撞性和损伤的评估及减轻冲击的包装设计，都需要能量吸收性能方面的知识。对能量吸收性能的研究要求有材料工程、结构力学、塑性理论和冲击动力学等方面的知识。《能量吸收：结构与材料的力学行为和塑性分析》试图将这个领域基本和新的知识汇集在一起以便读者顺利地掌握基本概念，并将有关原理应用于其他工程问题。由于实际应用中的结构和材料门类繁多，《能量吸收：结构与材料的力学行为和塑性分析》主要关注基本概念、基本模型、研究方法及简单的结构元件和材料。在介绍这些内容时，重点放在阐述力学和物理行为及较常用的基本建模和分析方法上。对更为复杂的实际结构在撞击下的全面综合分析，如汽车车身和飞机机身的耐撞性分析，则超出《能量吸收：结构与材料的力学行为和塑性分析》的范围。

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目录
1 绪论 1
1.1 车辆事故及其后果 2
1.1.1 车辆事故统计 2
1.1.2 车辆事故的后果 5
1.1.3 人体对碰撞的忍受度 6
1.2 能量吸收结构（材料）的应用 9
1.2.1 能量吸收结构用于改进车辆的耐撞性 9
1.2.2 能量吸收结构用于高速公路的安全防护 10
1.2.3 能量吸收结构用于工业事故的防护 11
1.2.4 能量吸收结构用于个人安全防护 12
1.2.5 能量吸收结构/材料用于包装 13
1.3 设计能量吸收结构和选择能量吸收材料 13
1.3.1 能量吸收结构的一般特点 13
1.3.2 一般原理 14
2 能量吸收能力的分析方法 19
2.1 材料行为的理想化 20
2.1.1 材料拉伸的力学性质 20
2.1.2 理想化的材料模型 20
2.1.3 塑性梁的弯矩-曲率关系 22
2.1.4 塑性铰和铰线 23
2.1.5 材料理想化的力学模型 24
2.1.6 刚塑性理想化的适用性 25
2.2 极限分析和界限定理 26
2.2.1 理想塑性结构的极限状态 26
2.2.2 弯曲和拉伸作用下的梁 27
2.2.3 静力许可应力场和下界定理 29
2.2.4 运动许可速度/位移场和上界定理 30
2.3 大变形效应 32
2.3.1 背景 32
2.3.2 实例分析 32
2.3.3 大变形的各种效应 34
2.4 动载荷效应 35
2.4.1 应力波的传播及其对能量吸收的影响 35
2.4.2 惯性及其对能量吸收的影响 38
2.4.3 应变率及其对能量吸收的影响 41
2.5 能量法 43
2.5.1 能量法用于确定初始坍塌载荷和坍塌机构 43
2.5.2 能量法用于大变形 45
2.5.3 能量法用于动态变形情况 47
3 量纲分析和试验技术 49
3.1 量纲分析 50
3.1.1 物理变量、基本变量和量纲齐次性 50
3.1.2 量纲分析法 50
3.2 小尺度结构模型 54
3.2.1 相似性要求 54
3.2.2 精确转换数量上的困难 56
3.3 试验技术 57
3.3.1 万能试验机 57
3.3.2 落锤、滑轨和摆锤 58
3.3.3 分离式霍普金森压杆 60
3.3.4 气炮和其他技术 62
4 圆环和圆环系统 63
4.1 一对集中力作用下的受压圆环 64
4.2 一对集中力作用下的受拉圆环 65
4.3 集中力作用下的固支半圆拱 68
4.3.1 受向外载荷作用的半圆拱 68
4.3.2 受向内载荷作用的半圆拱 70
4.4 两平板对压下的圆环 71
4.5 横向受约束的圆管 73
4.6 端部受撞击的一维圆环系统 77
4.7 圆管阵列的横向压溃 80
4.8 其他圆环/圆管系统 82
4.9 进一步讨论 82
5 横向载荷作用下的薄壁构件和夹层梁 85
5.1 集中力作用下的圆管 86
5.2 钝楔对圆管的压入 88
5.3 薄壁构件的弯曲破坏 91
5.3.1 正方形和矩形截面 91
5.3.2 圆管截面 96
5.3.3 槽形截面的弯曲坍塌 97
5.3.4 角形截面梁的弯曲 102
5.4 泡沫充填管的弯曲 104
5.5 夹层梁和夹层板的弯曲吸能 107
5.5.1 传统蜂窝和泡沫铝芯层夹层板的能量吸收 108
5.5.2 折纸结构作为芯层的夹层板 111
5.6 其他加载系统与评论 113
6 轴向压溃的薄壁构件 115
6.1 圆管 116
6.1.1 轴向压溃模式和典型的力-位移曲线 116
6.1.2 理论模型 117
6.2 方管 122
6.2.1 轴向压溃模式和典型的力-位移曲线 122
6.2.2 压溃机构的理想化 124
6.2.3 塑性区的详细分析 124
6.2.4 与试验比较 129
6.2.5 动态效应 130
6.3 帽形和双帽形截面 130
6.4 多胞薄壁构件 132
6.4.1 角形单元 135
6.4.2 三板角单元 136
6.4.3 其他单元与讨论 139
6.5 泡沫充填效应 140
6.6 内压效应 143
6.7 管件在轴向压缩下的能量吸收评价指标体系 147
6.7.1 评价指标体系的建立 147
6.7.2 应用这一指标体系评价管件的能量吸收性能 149
6.8 进一步讨论 152
7 结构碰撞与惯性敏感性 155
7.1 碰撞引起的动量交换和局部变形 156
7.1.1 两个物体正碰撞的动力学 156
7.1.2 接触力引起的压陷 160
7.1.3 结构在碰撞下的动态局部变形 168
7.2 惯性敏感能量吸收结构 171
7.2.1 两类能量吸收结构 171
7.2.2 折板的静力行为 173
7.2.3 折板的动力行为 174
7.2.4 进一步讨论 179
7.3 运动的结构物对固壁的撞击 180
7.3.1 研究背景 180
7.3.2 圆环对固壁的撞击和反弹—数值模拟 180
7.3.3 圆环对固壁的撞击和反弹—试验验证 184
7.3.4 薄壁球对固壁的撞击和反弹 186
7.3.5 双质量弹性系统对固壁的撞击和回弹 190
8 伴随有韧性撕裂的塑性变形 193
8.1 撕裂能量的测量 194
8.1.1 面内撕裂 194
8.1.2 面外撕裂 195
8.1.3 正方形金属管开裂时的撕裂能量 196
8.1.4 关于撕裂能量数值的评论 197
8.2 金属圆管的轴向劈裂 198
8.2.1 Huang等的理论分析 200
8.2.2 利用圆锥形模具使圆管劈裂 202
8.3 正方形金属管的轴向劈裂 203
8.4 金属管的刺穿 206
8.4.1 试验 206
8.4.2 理论分析 208
8.5 尖楔切割金属板 209
8.6 金属的韧性断裂 212
8.6.1 等效断裂应变的影响因素 213
8.6.2 几个重要的断裂模型 214
8.6.3 加载历史的影响 216
8.7 进一步讨论 217
9 圆柱壳和球壳 219
9.1 圆管翻转 220
9.2 管件向内的鼻状成型 225
9.3 圆管的胀管 227
9.4 球壳的翻转 231
9.5 海底管道塌陷的传播 233
9.5.1 圆环模型 234
9.5.2 塑性地基上的塑性梁模型 235
9.6 进一步讨论 237
10 多胞材料 239
10.1 蜂窝材料 240
10.1.1 胞元结构、相对密度、应力-应变曲线和压实应变 240
10.1.2 面内加载下的平台应力 243
10.1.3 面外加载 246
10.2 泡沫材料 246
10.2.1 胞元结构、相对密度、应力-应变曲线和压实应变 246
10.2.2 金属泡沫材料的平台应力 248
10.2.3 金属泡沫材料的能量吸收性能 250
10.2.4 金属泡沫材料的本构关系 251
10.3 木材 254
10.4 多胞材料对撞击的响应 256
10.4.1 理想刚塑性冲击波理论 256
10.4.2 一维质量-弹簧模型 258
10.4.3 蜂窝材料的动力压溃—有限元模拟 261
10.4.4 蜂窝材料的动力压溃—基于代表性单元变形历史的理论模型 265
10.4.5 应变率效应 269
10.4.6 进一步讨论 269
11 复合材料和复合材料结构 271
11.1 影响能量吸收特性的因素 272
11.2 圆管的轴向压溃 272
11.2.1 能量耗散机理和特性 272
11.2.2 纤维层方位的影响 279
11.2.3 直径与壁厚比（D/h）的影响 280
11.3 其他几何形状管件的轴向压溃 280
11.4 管件弯曲 282
11.5 关于复合材料管件压溃的评论 283
11.6 复合材料包裹的金属管件的轴向压溃 284
11.7 复合材料夹层板 286
11.7.1 复合材料表层的贯入能量 286
11.7.2 复合材料夹层板 289
11.8 纤维金属层合板 292
11.8.1 低速冲击响应 294
11.8.2 高速冲击响应 297
11.9 多胞纺织复合材料 298
11.9.1 背景 298
11.9.2 穹顶阵列纺织复合材料的两种构形研究 298
11.9.3 胞元几何形状和胞元分布对能量吸收能力的影响 300
11.9.4 轴向压缩下平顶圆锥壳的理论模型 300
11.9.5 细观失效机理 302
11.9.6 进一步讨论 303
12 工程实例 305
12.1 岩石滚落防护网 306
12.1.1 岩石滚落及其防护 306
12.1.2 防护网的能量吸收能力 306
12.1.3 拉伸变形 308
12.1.4 作用力的数值 309
12.1.5 数值实例 309
12.1.6 与圆环沿直径方向拉伸的比较 310
12.2 利用塑料泡沫材料进行包装 310
12.2.1 脆性物品运输过程中的防护 310
12.2.2 基于缓冲曲线的包装设计 311
12.2.3 如何由泡沫材料的应力-应变曲线构造缓冲曲线 313
12.2.4 讨论 314
12.2.5 数值实例 314
12.3 吸收行人头部撞击能量的汽车发动机罩盖设计 315
12.3.1 人车碰撞事故与行人头部伤害 315
12.3.2 汽车发动机罩盖与行人头部碰撞保护 316
12.3.3 头部冲击器撞击发动机罩盖的多峰波形特征 317
12.3.4 基于HIC的最优碰撞波形 319
12.3.5 工程实例：具有夹层板结构的发动机罩盖设计 320
12.4 保护桥墩的柔性防撞装置 321
12.4.1 柔性防撞装置的设计理念和典型结构 321
12.4.2 柔性防撞装置的工作原理 322
12.4.3 柔性抗船撞装置设计和研究中的主要科学技术问题 322
12.4.4 简化理论模型及其分析 323
12.4.5 设计和试验 324
12.5 飞机结构适坠性及能量吸收分析实例 325
12.5.1 机身框段坠撞分析 325
12.5.2 不同撞击速度下机身框段的响应分析 328
参考文献 331
符号表 355
名词术语表 358
后记 363