一种抗冲击柱用薄壁管破碎构件的仿真与试验

摘要

针对液压支架在冲击条件下抗冲击能力差的问题，研制了一种用于复合螺旋抗冲击装置的薄壁圆筒破碎部件，提出了不同的结构模型并进行了仿真。在此基础上，对模型进行了实验验证。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。导槽的布置可以使屈曲变形更稳定、更有规律，有效减小初始峰值力和弹性位移。随着壁厚和诱导槽壁厚的减小，破碎构件的有效变形屈服行程增大，初始峰值力、总能量吸收、平均反力和弹性位移减小。仿真结果与实验结果吻合较好，为后续工作提供了依据。

1.介绍

近年来，煤矿岩爆事故频繁发生，已成为我国深部开采的主要灾害[1- - - - - -3.]．液压支架是煤矿开采巷道支护的主要设备。一些高强度液压支架逐渐被采用，以增加支护强度来应对岩爆[4，5]．在发生冲击地压的瞬间，围岩压力瞬间涌动，液压支架安全阀往往来不及打开进行泄压保护。在这种情况下，支架以刚性方式工作。压力会直接造成支座变形损坏，立柱弯曲，气缸爆裂，导套损坏[6，导致整个支援系统的不稳定和破坏，造成设备损坏和人员伤亡。因此，为了提高巷道液压支架设备的抗冲击能力，防止巷道冲击事故的发生，开发具有快速动屈服和能量吸收能力的新型液压支架是十分必要的。

为了提高支架的抗冲击性能，Tang和Yang等[7，8]提出了一种解决方案，主要通过改变支架结构和在支架上添加吸能元件来实现。但在此解决方案中，薄壁管易开裂，变形模式不稳定，需要设置导向装置。结构复杂，变形能量吸收过程要求精度高，难以应用于复杂、严峻的实际冲击条件。Pan等人[9]提出了一种基于泡沫铝能量吸收的泡沫铝耗能缓冲装置。但该装置结构较为复杂，静压支撑能力较弱，吸能防冲击能力较弱。Ma和Tang等[10，11提出了不同板倾角的波纹管和带预折的薄壁管式吸能抗冲击构件。这类零件的预折需要特殊的模具加工，工艺复杂，生产成本高。

为降低峰值荷载和初始平均抗压强度稳定性问题，2017年，Li公司在薄壁圆管的外壁、内壁、内外壁上交替预置若干圆弧槽[12]．各种设计形式形成了薄壁槽，说明内壁槽比外壁槽对减小初始峰值力的作用更大。2018年，Hosseini等人[13研究了内径、长度和薄壁厚度、层位取向、增强纤维和制造工艺等三个几何参数对薄壁复合材料圆筒破碎特性的影响。Montazeri等人[14]通过仿真和实验分析了两种薄壁结构(多孔管和开槽管)的破碎机理，并采用沿管道沿预定间隔开槽和开孔的方法分析了薄壁管的塑性变形。2019年，Shams等人[15]提出了一种通过模具加工提高薄壁圆管在准静态侧载作用下的吸能性能的新方法。利用模具和各种刀片形压头，将简单的圆管制成四种不同类型的预制试样，并将预制试样在两块刚性压板之间进行水平压扁试验。2020年，Song等人[16通过对两种典型结构(玉米秸秆和芦苇)的研究，研究了4种泡沫填充薄壁仿生结构，通过动态失重和准静态压缩，研究了该结构的能量吸收能力和变形模式。Dong等人[17]设计了一种吸能抗冲击锚杆支撑构件，通过金属圆管的轴向撕裂和卷曲变形来达到吸能效果，但这种构件的初始支撑强度较小，且金属不稳定。圆管的撕裂变形占用了很大的空间。姚等人[18]采用仿真和实验研究对比了圆管开孔区域和未开孔区域的吸能特性，结果表明，平均破碎力会随着管壁厚度的增加或孔半径的减小而减小。通过增加孔的数量或减小孔的半径，可以提高吸能比。李等人[19研究了诱导结构的种类和数量对填充泡沫铝的薄壁方管轴向破碎变形方式、初始峰值力、破碎力效率和能量吸收能力的影响。试验验证了泡沫铝薄壁方管有限元模型的准确性。Yi等人[20.]研究了膜片结构和诱导结构对吸能特性的影响，得出在膜片的约束下结构产生更多的屈曲褶皱，吸能增加。

普通薄壁圆管在岩爆作用下的坍塌变形过程中，存在变形不稳定、易发生欧拉失稳、初始峰值力大、难以快速变形、无法快速屈服等问题。针对以上问题，一种新型螺杆式防冲击装置[21]设计为抗冲击柱的屈服装置，并在新型螺杆式液压缓冲器的液压腔内设计了薄壁管破碎结构。在冲击压力下，螺旋液压缓冲器与薄壁管共同工作。因此，薄壁圆管的坍塌结构需要满足静水支撑能力高、易快速稳定变形、初始峰值力不宜过大的要求。为了设计出满足新型螺旋抗冲击装置要求的薄壁圆管坍塌结构，建立了薄壁圆管空心结构的有限元模型，对5种构件进行了坍塌屈曲分析。并确定了理想的折叠构件结构。仿真结果通过实验进行了验证。研究结果为今后的工作提供了模型依据和实验依据。

2.薄壁管坍塌构件的要求与设计

２.１.倒塌构件的性能要求和评价参数

常规液压柱的抗冲击特性取决于安全阀的特性。当强冲击负荷的能量加载率超过安全阀的泄放率时，安全阀开启后，柱内液体压力仍会迅速上升。而且，在安全阀打开之前立柱就失效也是很常见的。

为解决安全阀对不同外负载的泄压能力适用性差、响应速度慢的问题，研制了一种新型螺旋液压缓冲器[21，在液压腔内设计了薄壁管破碎结构。在静载情况下，薄壁筒体坍塌结构为新型螺旋液压缓冲器提供了工作阻力。在动负载情况下，冲击负载超过一定阈值时，部件会及时变形，为安全阀的及时开启提供保证。理想的破碎组件应满足以下要求:(1）峰值破碎力合理承载能力:在围岩压力或冲击力达到峰值力前构件没有变形或变形较小，当围岩冲击力超过峰值力时构件开始屈服变形。初始峰值F_马克斯(屈曲荷载)的反力-位移曲线在受压构件变形过程中的反力通常为其变形阈值[22),所以F_马克斯，以符合公式(1)，其中Fr为柱和的工作阻力F_b为柱及其他构件的冲击破坏载荷。根据中国相关国家标准，吸能构件的峰值承载力一般设计为柱工作阻力的1.2-1.5倍[23，24]． (2）在弹性变形阶段，位移应较小。需要尽可能缩短初始峰值载荷作用下的行程，以保证构件破碎屈曲变形过程中初始弹性变形阶段发生得更早。距离l在弹性变形阶段用于评价，其中l为构件被压碎达到初始荷载峰值时的相应变形。（3）需要一个相对较大的有效变形行程。有效变形屈服行程可以用来表示构件的塑性变形能力。当构件的反力小于或等于初始峰值力和有效变形屈服行程时，变形屈服才有意义用于评估[25]．（4）该部件在破碎过程中具有恒定的反作用力。F_的意思是为平均压溃力，反映构件整体荷载水平。它被定义为 （５）E为总吸收能，描述了构件屈曲变形过程中吸收的能量。可以保证组件有效的能量吸收和抗冲击能力。 （6)抗冲击过程中负载的稳定性高。为了保证支撑系统的有效、稳定的缓冲保护，采用均方差σ用于反映构件屈曲变形过程中处于塑性变形阶段的支撑反力波动。 （7）部件压缩变形后不向周围膨胀，不占用其他空间

２.２.薄壁圆管破碎部件的设计

本研究采用薄壁圆管破碎构件作为抗冲击柱，其工作阻力为3600 KN。为便于试验，抗冲击柱的工作阻力降低了500倍。试验工作阻力为7.2 KN，F_b= 1.2,F_r= 8.64 KN。设计了厚薄壁圆管破碎件的五种结构方案，其结构如图所示1．对于总高度为110毫米，外径为60毫米的薄壁圆柱，详细的设计资料见表1．从yg -1到YG-5，给出了不同的方案，装配方案如图所示2．

3.薄壁管压碎构件各种方案的仿真

本节对不同结构、不同诱导槽厚度的圆柱薄壁构件进行了轴向冲击仿真，分析了不同参数对圆柱薄壁构件屈曲变形过程和能量吸收特性的影响。

３．１．压溃屈曲变形形态

破碎件压溃屈曲模拟的有限元模型如图所示3.．本机型摩擦系数为0.25，材料为铝5083，材料密度为2660kg /m^3.，弹性模量为70 GPa，泊松比为0.3。

对五种不同结构和诱导槽厚度的压溃构件在准静载荷作用下的屈曲模拟分析，构件的屈曲变形形式如图所示4．

从图中可以看出4结果表明，在屈曲变形的初始阶段，受压构件发生了轴对称模态变形。随着被压构件不断被压碎，其变形在达到初始力峰值后转变为非轴对称屈曲变形模式。在这种情况下，构件的变形处于混合模式[26- - - - - -29]．

从破碎构件的塑性应变分布云图可以看出，应力高的区域即为塑性变形大的区域，空心破碎构件的应力和变形集中在中间的双层空心区域。随着压碎构件的不断被压碎，中空的弯曲和折叠会在密集状态下聚集在一起。

３.２．破碎部件抗冲击性能参数

破碎、屈曲过程中各部件的反作用力-变形曲线如图所示5．

各方案的反作用力-变形曲线大致可分为三个阶段:

(1)在初始弹性变形阶段，构件在破碎开始时处于短期弹性变形状态，支撑反力从零迅速增加到初始峰值力。(2)在塑性变形阶段，支撑反力达到初始峰值后，构件开始发生较大的塑性变形，形成弯曲褶皱，形成相对连续的反力。(3)在压实阶段，构件被压碎至紧实状态，反作用力迅速上升至初始峰值力，有效变形屈服行程结束。

非空心圆管构件的反力波动在塑性变形阶段较为明显。一般来说，对于不同的方案，相同结构的厚度越小，压溃屈曲时的反力越小。在构件压溃和屈曲的塑性变形过程中，主要有两种变形形式，即弯曲和拉伸。结构厚度对弯曲反作用力和拉伸变形的影响是正相关的[30.，31]．因此，减小壁厚有助于降低构件的整体反力。

各方案初始峰值力、弹性阶段位移、有效变形位移、总吸收能量、均方差、平均支撑反力如图所示6．管状构件性能评价参数如表所示2．

从图6(一)和表1结果表明，在等内径、等壁厚条件下，空心薄壁圆管破碎构件的初始峰值力比普通薄壁圆管破碎构件的初始峰值力要小，说明空心结构使构件更加稳定、规则、并能有效帮助减小初始峰值力。

对于空心构件，随着壁厚的减小，其初始屈曲峰值力和平均反力变小。带有感应槽的薄壁圆管破碎构件的初始峰值力小于普通空心薄壁圆管破碎构件的初始峰值力，由此可见，感应槽的开启使构件的压溃和屈曲变形更加稳定和规律，有效降低了初始峰值力。

从图中可以看出6 (b)通过薄壁圆管的减厚和感应槽的布置，可以使构件更具塑性变形，有效减小弹性阶段的位移，提高破碎构件的响应速度。

从图中可以看出6 (c)有效变形屈服行程随壁厚的减小和感应槽的布置而增大。具有感应槽和壁厚越小的构件在坍塌屈曲过程中所形成的弯曲褶皱越小，材料塑性变形就越充分。在这种情况下，变形是有效的，从而产生较大的屈服冲程。反之，如果壁厚较大且没有设置诱导槽，塑性变形不足，波动较大的反力将更早达到力的初始峰值，屈服行程较小。

从图中可以看出6 (d)和6 (e)壁厚的减小和诱导槽的布置降低了构件的能量吸收。能量吸收受反力和有效位移的影响。总能量吸收的总体下降趋势主要受反作用力减小的影响。根据公式(2)和(3.)，平均支撑反力为总能量吸收与有效位移之比，其中平均支撑反力规律受总能量吸收规律影响较大。

从图中可以看出6 (f)对于同一构件，随着壁厚和诱导槽厚度的减小，支撑反力的均方误差基本减小。挤压屈曲过程中，壁厚和感应槽厚度较小的构件更容易变形，形成的弯曲褶皱多而小。因此，载荷在抗冲击过程中的稳定性越高，波动越小，均方误差越小。在破碎和屈曲过程中，诱导槽厚度较大的构件不易变形，形成的弯曲褶皱少而大。因此，负载在抗冲击过程中的稳定性越低，波动越大，均方误差越大。

4.薄壁圆管破碎部件的挤压屈曲变形试验分析

4．1.构件的压缩和屈曲变形

五个薄壁构件如图所示7，并利用电子万能试验机进行坍塌屈曲试验，如图8．破碎屈曲试验中各部件的变形形态如图所示9．主要结论如下:(1）无空心结构的圆管件压溃、屈曲是造成欧拉失稳的主要原因(2）无感应槽的空心圆管件在压溃屈曲时，其外径变形较大（3）带有感应槽的薄壁圆管构件外径变形小，变形规律。

与理想变形模式下薄壁破碎构件的屈曲模拟分析相比，试验中出现了不规则挠曲和开裂现象，这是由于试验过程中可能存在构件结构材料缺陷和试验加载条件不理想所致。例如，构件的管壁和感应槽的厚度不均匀;构件放置位置的偏心误差受到冲击和挤压。

与YG-1构件中的空心管状结构相比，空心管状结构在压溃屈曲变形过程中发生了欧拉失稳。空心结构变形集中在空心竖杆上，产生较大的弯曲褶皱和挠曲变形。没有感应槽的YG-2和YG-3组件在破碎和屈曲变形过程中缺乏感应槽的引导作用，易发生不规则变形。组件被压缩变形后，会四处膨胀，占用其他空间。YG-5组件设置诱导，凹槽使压溃和屈曲变形更稳定、有规律。

4．2．薄壁圆管破碎件性能参数

各构件压溃屈曲试验的反力-变形曲线如图所示10．主要结论如下:(1）压溃屈曲试验的反力-变形曲线与模拟曲线基本一致。根据试验数据，各组分的反力-变形曲线也有三个相似的阶段。(2）通过对五个部件的测试，一般情况下，部件的壁厚越薄，破碎屈曲过程中反力的整体水平越低，这与模拟结果一致。（3）诱导槽的布置可使破碎和屈曲变形更加稳定和规律，可有效降低初始峰值载荷，减小弹性阶段距离，增加有效变形压力行程。计算结果与仿真结果基本一致。

在此基础上，分析了4个构件压溃屈曲试验的各项评价参数(不再考虑圆管构件YG-1的欧拉失稳)。

随着构件结构、壁厚和诱导槽厚度的变化，得出相关参数的影响，并与上面的仿真结果进行对比，如图所示11．

总体上，分析结果与仿真分析中描述的结果一致，验证了仿真模型的可靠性，为后续研究提供了重要的模型基础。

5.结论

(1）在不改变薄壁管的材料、厚度和提供的截面形状的情况下，诱导结构可以保证更稳定和有规律的变形，并降低初始峰值荷载。空心结构的布置能有效抑制普通管状构件的环形模态变形和坍塌屈曲的欧拉失稳，使构件趋于稳定。仿真结果表明，空心结构破碎管与普通管相比，具有更好的反应波动性能。在实际测试中，普通圆管部件发生欧拉失稳，导致有效破碎和抗冲刷性能丧失。(2）仿真和实验表明，对于薄壁圆管空心结构，随着薄壁圆管壁厚的减小，初始峰值力和弹性相位移减小，有效变形屈服距离增大，总能量吸收和平均支承反力减小，反力均方差减小。（3）感应槽的开启使构件的破碎和屈曲变形更加稳定和有规律，能有效减小初始峰值力和弹性相位移，增加有效变形屈服距离，提高构件抗冲击过程中的稳定性。（4）试验结果与仿真结果一致，验证了仿真模型的可靠性，为今后的工作提供了重要的模型基础。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

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