SV 冲击和振动 1875 - 9203 1070 - 9622 Hindawi 10.1155 / 2021/6624934 6624934 研究文章 仿真和实验的一种薄壁管破碎成员用于Antiimpact列 王 程量长 陈 易纺 https://orcid.org/0000 - 0002 - 3842 - 9107 曾 清凉 https://orcid.org/0000 - 0002 - 3060 - 0977 刘 Guoming Nicoletti 罗德里戈 山东科技大学 青岛266590年 中国 sdust.edu.cn 2021年 17 5 2021年 2021年 31日 12 2020年 15 3 2021年 8 4 2021年 17 5 2021年 2021年 版权©2021程量长王等。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

为了解决贫穷的问题antiimpact液压支架在岩石破裂的能力,一种薄壁圆柱体抗压组件中使用复合螺旋antiimpact设备开发,提出了不同的结构模型和模拟。在此基础上,通过实验验证了模型。结果表明,空心结构的安排可以抑制环模式变形和欧拉失稳管成员的破碎产量和可以根据预期的进行翘曲变形破碎力压缩变形过程中,有效地减少初始峰值力。导槽可使翘曲变形的安排更加稳定和常规,这可以有效地减少初始峰值力和弹性位移。小壁厚和诱导槽壁厚较小,有效变形产生的破碎成员增加,和初始峰值力,总能量吸收,平均反应部队,弹性位移减少。仿真结果与实验结果是一致的,将用于未来的工作。

 1。介绍

近年来,煤矿岩石破裂事故发生频繁,已成为深部开采的主要灾难在中国( 1- - - - - - 3]。液压支架是煤矿的主要巷道支架设备。一些高强度液压支持逐渐被用来增加支持处理岩石破裂强度 4, 5]。目前岩爆的发生,立即围岩压力激增,安全阀的液压支架通常来不及打开卸压保护。在这样的条件下,支持在刚性的方式工作。压力会直接引起的变形和破坏的支持,列弯曲,气缸破裂,损坏导套( 6),导致整个支持系统的不稳定性和破坏,导致设备损坏和人员伤亡。因此,开发一种新型的液压柱与快速动态屈服和能量吸收能力是非常必要的,加强巷道液压支架的antiimpact能力设备,防止巷道岩爆的事故。

为了提高antiimpact的性能支持,唐和阳et al。 7, 8)提供了一个解决方案,主要是通过改变执行的结构支持和吸能组件添加到支持。然而,在这个解决方案中,薄壁管很容易开裂,变形模式是不稳定的,和指导设备需要集。结构是复杂的,和变形能量吸收过程要求精度高,很难被应用到复杂和严重的实际影响条件。锅等。 9)提出了一种能量耗散的泡沫铝缓冲装置,依赖于泡沫铝的能量吸收。但是这种设备的结构越来越复杂,其支持能力静态压力和能量吸收能力和预防的影响相对较弱。马和唐et al。 10, 11)提出了不同板倾角波纹管和薄壁管式吸能与precrease antiimpact组件。precrease这样的组件需要特殊模具加工,过程复杂,生产成本高。

旨在降低高峰负荷和最初的平均抗压强度稳定问题,在2017年,大量的圆弧凹槽交替预设在外墙,内墙,外墙和内部由Li[薄壁圆管 12]。各种设计形式细槽,这表明槽内壁上有更大的影响在减少初始峰值力比槽外墙上。2018年,Hosseini et al。 13)研究了三种几何参数的内径的影响,长度和薄壁厚度、层定位、强化纤维,生产过程的破碎特点薄壁复合气瓶。蒙塔泽里et al。 14]分析了两种类型的薄壁结构的破碎机理(多孔管道和槽管道)通过仿真和实验,分析了薄壁管的塑性变形在预先确定的时间间隔通过开槽和孔沿管道。2019年,夏姆斯et al。 15)提出了一种新的方法来提高薄壁圆管的能量吸收性能在准静态侧负载下通过模具加工。使用模具和各种blade-shaped硬度计压头,一个简单的圆管是形成四种不同的预制样本,样本和preshaped之间横向压压扁试验两个刚性新闻板块。2020年,歌曲等。 16]通过研究两种典型结构(玉米秆和里德)报道,4类型的薄壁回手仿生结构,通过动态落锤和准静态压缩,能量吸收能力,仿生结构的变形模式进行了研究。董et al。 17)设计了一种能量吸收和antiimpact锚支持成员,实现能量吸收的影响通过轴向撕裂和卷曲变形的金属圆管,但最初支持这类成员的力量很小,金属。圆管的撕裂变形占用了大量的空间。姚明et al。( 18)使用模拟和实验研究比较开放区域的能量吸收特性和圆管的未开放的区域,这表明平均破碎力与管道壁厚的增加将减少或孔半径的减少。孔的数量或减少孔的半径可以增加特定的能量吸收。李等人。 19)研究的类型和数量的影响诱导结构的轴向破碎变形模式,初始峰值力、破碎力效率,对薄壁方形管和能量吸收能力充满了泡沫铝。测试验证有限元模型的准确性的薄壁方管充满了泡沫铝。易et al。 20.)研究了薄膜结构的影响和诱导结构的能量吸收特性,并得出结论,产生更多的弯曲折叠结构的限制下隔膜,和能量吸收增加。

崩溃的过程中变形的普通薄壁圆管在岩石破裂,存在一些问题,如不稳定变形,容易欧拉失稳,初始峰值力大,难以迅速变形,无法迅速产生。鉴于上述问题,一种新型的螺杆式antiimpact设备( 21)设计的产生装置antiimpact列,和薄壁管破碎结构设计液压腔的新型螺旋式液压缓冲。冲击压力下,螺旋液压缓冲和薄壁管一起工作。因此,薄壁圆管的崩溃结构需要满足高水压的要求支持能力,容易变形快速、稳定,初始峰值力不应太大。为了设计薄壁圆管的塌陷构造满足新的螺旋antiimpact设备的需求,一个有限元模型建立了薄壁圆管的中空结构,崩溃的屈曲分析五种组件,和理想的崩溃组件结构决定。仿真结果验证了实验。研究结果提供模型依据未来的工作和实验依据。

 2。薄壁管崩溃组件的需求和设计 2.1。崩溃的性能要求和评价参数的成员

antiimpact字符的传统液压列取决于安全阀的特点。当energy-loading的强烈的冲击载荷超过安全阀的缓解率,列中的液体压力仍将安全阀打开之后迅速崛起。此外,它也是很常见的,列打开安全阀之前将会失败。

为了解决贫穷问题的适用性和响应速度减压安全阀不同外部载荷的能力,一种新型的螺旋液压缓冲( 21)提出,薄壁管液压腔的结构设计。与静载荷的情况下,薄壁管塌陷构造提供了工作阻力的新型螺旋液压缓冲。动态负载的情况下,组件将变形及时当冲击载荷超过一定的阈值,以提供担保及时打开安全阀。理想的粉碎组件应该符合以下要求:

合理的破碎力峰值承载力:组件不变形或变形前的围岩压力和冲击力达到峰值力,和组件开始让步,围岩变形,当力超过峰值力的影响。最初的峰值 F马克斯(屈曲荷载)的反应力-位移曲线在变形过程中碎的成员通常是其变形阈值( 22),所以 F马克斯需要满足公式的要求( 1),Fr的工作阻力和列 F b的影响damaging-load列和其他组件。按照中国国家标准有关,能量吸收成员的峰值承载力通常设计为1.2 - -1.5倍的工作阻力的列( 23, 24]。 (1) F r < F 马克斯 < F b 。

位移应小弹性变形阶段。有必要缩短冲程初始峰值负载下尽可能确保最初的弹性变形阶段早些时候发生在组件破碎和翘曲变形的过程。距离 l在弹性变形阶段是用来评估, l组件是碎时相应的变形达到初始峰值负载。

一个相对大的有效变形中风是必要的。有效的变形产生中风可以用来表达组件的塑性变形能力。变形产生有意义的反应部队的组件是小于或等于初始峰值力、中风和有效的变形产生 δ 用于评价( 25]。

组件有一个常数在破碎过程中反应部队。 F的意思是平均破碎力,反映了整体负载水平的成员。它被定义为 (2) F 的意思是 = 1 δ ∫ 0 δ F 年代 d 年代 。

E是总吸收能量,它描述了能量吸收的过程中组件的翘曲变形。它可以确保有效的能量吸收和组件的抗冲击能力。 (3) E = ∫ 0 δ F 年代 d 年代 。

antishock过程中负载的稳定性高。为了确保有效和稳定的支持系统的缓冲保护,标准差 σ支持的反作用力是用来反映其波动,这是在塑性变形阶段的翘曲变形过程组件。 (4) σ = ∫ δ 1 δ F 年代 − F 的意思是 2 p x d 年代 。

没有扩大到其他空间的环境,没有占领后,组件被压缩和变形

2.2。薄壁圆管压组件的设计

在这项研究中,薄壁圆管压组件是用于工作阻力3600 KN的antiimpact列。为了方便测试,的工作阻力antiimpact列是减少500倍。和测试工作阻力7.2 KN, F b= 1.2, F r= 8.64 KN。5厚薄壁圆管破碎成员结构方案设计,其结构如图 1。对于薄壁圆柱,总高度110毫米和外直径60毫米,表中给出了详细的设计信息 1。从YG-1to YG-5,它显示了不同的方案,组装计划如图 2。

三种结构方案的薄壁圆管压组件。

薄壁吸能组件的计划。

不。 壁厚(毫米) 槽(毫米) 结构
YG-1 3 没有 圆管
YG-2 3 没有 镂空
YG-3 2.5 没有 镂空
YG-4 3 2.5 镂空
YG-5 2.5 2 镂空

薄壁圆管的安装计划被组件。端盖(1),(2)活塞杆,活塞(3),(4)缸体,(5)破碎部分。

 3所示。模拟各种方案的薄壁管破碎成员

在本节中,薄壁圆柱的轴向冲击仿真成员具有不同结构和不同厚度的诱导槽,和不同参数对翘曲变形的影响过程和能量吸收特性的薄壁圆柱成员进行了分析。

3.1。粉碎屈曲的变形形态

压屈曲的有限元模型模拟破碎成员如图 3。在这个模型中,摩擦系数为0.25,5083年材料是铝材料密度是2660公斤/米<年代up>3弹性模量是70 GPa,泊松比是0.3。

压屈曲的有限元模型模拟破碎成员。

五计划的粉碎成员的屈曲模拟分析不同的结构和诱导槽厚度进行准静态载荷下,和成员的翘曲变形形式如图 4。

压缩和每个计划成员的翘曲变形过程。(a) YG-1的翘曲变形过程,(b) YG-2的翘曲变形过程,(c) YG-3的翘曲变形过程,(d) YG-4翘曲变形过程,(e) YG-5的翘曲变形过程。

从图可以看出 4的ax对称模式变形碎成员发生翘曲变形的初始阶段。随着继续碎碎成员,其变形转换为non-ax对称变形屈曲模式在达到初始峰值力。在这种情况下,组件的变形是在混合模式( 26- - - - - - 29日]。

根据塑性应变分布云图破碎的成员,可以看出该地区高压力是大塑性变形的区域,和空心的应力和变形破碎成员都集中在中间两层空洞。随着破碎成员继续被压碎,空心弯曲和折叠将在密集状态。

 3.2。Antishock粉碎组件的性能参数

每个组件的反应force-deformation曲线在破碎和屈曲过程如图 5。

支持反应force-deformation曲线模拟的破碎和薄壁圆管的屈曲成员有不同的计划。

每个方案的反应force-deformation曲线大致可以分为三个阶段:

(1)在初始弹性变形阶段,短期弹性变形状态的组件是破碎的开始,和增加支持反应部队迅速从零到初始峰值力。(2)在塑性变形阶段,反应的初始峰值的支持后,组件开始接受大的塑性变形,形成弯曲折叠,导致相对连续的反作用力。(3)压实阶段,组件是压到一个紧凑的状态,反应力快速上升到初始峰值力,和有效的变形产生中风结束。

nonhollowed圆管成员的反应力波动较明显的塑性变形阶段。一般来说,对于每一个不同的计划,同样结构的厚度越小,越低反应部队在破碎屈曲。主要有两种变形形式在塑性变形过程中组件破碎和弯曲,弯曲和伸展运动。结构厚度的影响反应部队的弯曲和拉伸变形呈正相关( 30., 31日]。因此,减少壁厚可以帮助减少的总体反应部队成员。

初始峰值力、位移在弹性阶段,有效的变形位移,总吸收能量,标准差和平均支持每个方案如图的反作用力 6。管状成员给出的性能评估参数表 2。

性能评估参数模拟组件的破碎和屈曲的各种方案。(一)初始峰值力,(b)位移在弹性阶段,(c)有效变形产生中风,(d)总吸收能量,(e)平均反应部队,(f)均方偏差。

薄壁圆管的性能评估参数没有挖空。

数量 初始峰值力(KN) 产生弹性变形的距离(毫米)
YG-1 95年 3.1

从图 6(一)和表 1,它表明空心薄壁圆管的初始峰值力破碎成员小于普通薄壁圆管破碎条件下的成员平等的内径和壁厚,这表明空心结构让成员更稳定,常规,并能有效地帮助减少初始峰值力。

空心组件,降低壁厚,初始峰值力在破碎屈曲和平均反作用力小。的初始峰值力与诱导槽薄壁圆管压组件小于普通的空心薄壁圆管压组件,这表明诱导槽的开口让组件的破碎和屈曲变形更加稳定和正常,有效减少了初始峰值力。

从图可以看出 6 (b)薄壁圆管的厚度减少和感应凹槽的安排可以使组件可塑性变形,有效地减少位移在弹性阶段,提高了组件的响应速度。

从图可以看出 6 (c)有效的变形产生中风增加壁厚减小和诱导槽的安排。形成的弯曲折叠组件的崩溃和屈曲过程诱导槽和小壁厚较小,和材料塑性变形是充分的。在这种情况下,变形是有效的,给一个更大的收益。相反,如果壁厚大,诱导槽不安排,塑性变形不足,反应力大波动将达到初始峰值力之前,中风和产量更小。

从数据可以看出 6 (d)和 6 (e)减少壁厚和安排诱导槽降低成员的能量吸收。能量吸收的有效反应力和位移的影响。总能量吸收的总的趋势主要受反应力的减少。根据方程( 2)和( 3),平均支持反应的比例是有效的总能量吸收位移,平均的法律支持反应是极大地影响了总能量吸收法。

从图可以看出 6 (f)相同的结构部件,壁厚和诱导槽的厚度减少,基本上支持反应部队的均方误差降低。壁厚和诱导槽厚度较小的成员更容易在破碎屈曲畸形,和弯折形成更小。因此,在antiimpact过程中负载的稳定性较高,波动较小,均方误差更小。在破碎的过程和屈曲,诱导槽厚度较大的成员不容易变形,弯曲和折叠形成越来越大。因此,在antishock过程中负载的稳定性较低,波动较大,均方误差比较大。

 4所示。实验分析破碎翘曲变形的薄壁圆管压组件 4.1。压缩和翘曲变形的成员

如图五薄壁成员 7制造和崩溃屈曲测试执行通过电子万能试验机,如图 8。每个组件的变形形态的破碎屈曲测试如图 9。的主要结论如下:

欧拉失稳发生由于破碎和圆管的屈曲成员没有空心结构

空心圆管的外径变形成员没有诱导槽是在粉碎屈曲

薄壁圆管的外径变形成员与感应凹槽很小,和变形规律。

薄壁圆管压组件。

Microcontrol电子万能试验机。

粉碎屈曲变形形态的组件测试。

与屈曲薄壁压组件的仿真分析在理想变形模式,不规则的挠度和裂缝发生的测试,这是由于可能的组件结构材料缺陷和不理想的在测试期间测试加载条件。例如,管壁的厚度和组件的诱导槽不均匀;的放置位置组件的偏心误差是影响和压碎。

空心结构管结构相比组件YG-1,欧拉失稳发生在破碎和翘曲变形的空心结构管结构。空心结构变形集中在空心垂直酒吧,导致更大的皱纹和挠度变形弯曲。组件YG-2和YG-3没有感应槽缺乏指导的影响诱导槽过程中破碎和翘曲变形,容易产生不规则变形。组件是压缩和变形后,它扩展和其他占用空间。组件YG-5设置为诱导,槽使破碎和翘曲变形和定期更稳定。

 4.2。性能参数的薄壁圆管压组件

破碎的反应force-deformation曲线弯曲测试的每个成员如图 10。的主要结论如下:

破碎的反应force-deformation曲线弯曲测试与仿真曲线基本上是一致的。根据测试数据,它显示了每个组件的反应force-deformation曲线也有三个类似的阶段。

根据测试的五个组件,一般情况下,组件的壁厚越薄,整体水平越低的反应力压屈曲过程中,与仿真结果是一致的。

诱导槽可使破碎的安排和屈曲变形更加稳定和常规,这可以有效地减少初始峰值负载,降低弹性阶段的距离,增加有效的变形压力中风。它与仿真结果是一致的。

压缩屈曲的反应force-deformation曲线测试。

各种评价参数的基础上,分析了挤压弯曲测试的四个组件(欧拉失稳的圆管组件YG-1不再被认为是)。

与结构的变化、壁厚和诱导槽厚度的组件,获得相关参数的影响,并与仿真结果相比,在图所示 11。

破碎的性能评估参数每个计划成员的纵向弯曲试验和仿真。(a)初始峰值力,(b)弹性相位移,变形产生中风(c)有效,(d)吸收能量,平均反应部队(e)和标准差(f)。

一般来说,描述的分析结果是一样的仿真分析,验证了仿真模型的可靠性,为后续研究提供了一个重要的模型基础。

 5。结论

不改变材料薄壁管的厚度,和横截面形状、诱导结构可以保证更稳定和常规变形和降低初始峰值负载。中空结构的安排是有效抑制崩溃的环形模式不稳定变形和欧拉屈曲的普通管状成员,使组件往往是稳定的。根据仿真,结果表明,空心结构破碎波动管有更好的反应性能与普通管进行比较。在实际的测试中,欧拉失稳发生在普通圆管组件,导致有效的破碎和防冲刷性能的损失。

根据仿真和实验,结果表明,空心结构的薄壁圆管、薄壁圆管的壁厚减小,初始峰值力和位移在弹性阶段减少,有效的变形产生距离的增加,总能量吸收和支持反作用力减小,平均的均方偏差反应力降低。

的诱导槽使组件的破碎和翘曲变形更加稳定和正常,可以有效地减少初始峰值力和弹性相位移,增加有效的变形产生距离,提高组件的antishock过程中稳定。

试验结果与仿真结果一致,验证了仿真模型的可靠性和未来的工作提供了一个重要的模型依据。

 数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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