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在中国北方大学的XXXX年里，车辆、船只和飞机的数量增加了，速度也提高了。

碰撞事故也日益增多，每年都造成严重的生命和财产损失。

解决这个问题的主要方法是研究和改善各种车辆、船舶和飞机结构的耐撞性[1]术语“耐撞性”是指当车辆或类似物卷入或经历碰撞时的响应质量。

许多学者对金属吸能结构进行了大量的研究，如圆管的卷曲、方管的卷曲和渐进屈曲、截头壳体、圆管和圆环以及填充泡沫塑料等。

在工程中，如何评价结构受冲击后的整体性能，如何提出合理的设计方案，以及如何制定有效的防护措施，是人们特别关注的问题。

目前，工程实践中较为实用有效的方法是设计和采用性能优良的吸能装置或消能装置。

这项工作现已成为结构安全保护的一个重要课题。

同时，在某些特定条件下（如飞机迫降、核电站和高速公路旁重要设施的保护等）。

），现有结构难以满足吸收所有碰撞能量的要求。

有必要设计一些特殊的结构元件作为能量吸收装置。

这种装置必须具有良好的塑性变形特性，以便通过结构的大塑性变形和破坏过程来耗散碰撞动能，从而大大减小冲击力的幅度，减缓冲击效应并将其保持在结构能够承受的指标水平。

塑性弯曲是承受横向载荷的环的主要能量耗散机制（图1.1）图1.1压缩在一对刚性板之间的环（a）的初始构型；

（2）变形形状在工作载荷下，传统结构（如工程和机械中使用的结构）只有很小的页1，53页中国北方大学XXXX多年前，许多学者对不同支承下完整或缺口环的塑性动力响应特性进行了试验研究。

通过这些研究，获得了环结构能量吸收特性的一些知识。

卡拉丁和英国对低碳钢环等进行了冲击试验。

他们的实验表明，环是一种对冲击速度不敏感的能量吸收元件，也就是说，在相同的冲击动能条件下，通过改变落锤的质量和速度，环的最终变形没有太大的不同。

德伦茨和霍奇·[6]指出，理想的刚塑性薄环在两块刚性板的压力下的大变形是一种四铰链机构。

里德和其他人[7]已经彻底研究了加强效果对环的承载能力的影响。

他们指出，材料线性强化的结果不仅增加了塑性极限弯矩，而且将塑性铰扩展到塑性区[1]里德等人对加强压缩环的处理与希腊在1964年对加强张力环的处理完全一致[13]Reid等人首先对金属环阵列（几个环排成一行）在冲击载荷下的动态力学行为进行了实验研究，获得了环阵列系统在不同连接条件下的大量实验数据。

在此基础上，提出了结构波理论。

Reid和Reddy首先报道了第3页的圈，共53页中国北方大学XXXX年前，国内在这方面的研究也取得了大量的研究成果。

于同熙[1]利用金属塑性变形原理研究了碰撞吸能装置，并从比能耗、相对行程和承载力稳定性等方面比较了各种吸能元件。

于同熙[3][15]还对圆形、圆形和方形结构的耐撞性进行了深入研究宋宏伟·[17]研究了圆管和其他能量吸收结构的冲击能量吸收特性。

蒋锡泉对多排环系统做了大量的实验研究。

结果表明，在准静态条件下，多排环系统的力学行为与单排环系统的变形行为基本相似。

多排环系统的变形过程比单排环系统更为平稳。

曾守一等人的实验结果也表明，环层数对变形影响很大，多层环体系的总变形量很大，但其反力波形平缓，没有次峰值。

但是，顾等人进行了相关的实验研究，修正了以往的模态解公式，使得多排环系统的理论分析结果更接近实际情况。

与此同时，赵凯等人[4]对弹性范围内圆环系的应力波效应作了更深入的研究。

赵凯等人[4]也通过对圆形阵列系统的实验和数值研究获得了研究结果，这表明:

（1）圆形阵列系统是一种高效的能量吸收装置；

（2）考虑到实际安装的要求，2~3个薄壁环系统更适合实际工程应用环形列车系统能够满足结构防护的工程要求，具有广阔的应用前景和实际工程意义，值得进一步推广应用。

和蔡的研究主要集中在环系压扁失效的传播分析，包括有限元数值模拟和理论模型。

在理论模型中，金属环相当于一个弹塑性“弹簧”，以此为基本单元，研究一系列纵向串联的圆环在端部受冲击时的弹塑性动力响应，进而预测各个圆环在不同时刻的变形。

在对强动载荷作用下的弹塑性环系统的失效分析中，他们得出了以下结论:

（1）对于串联的弹塑性环系统，提出了宏等效第4页、53页中国北方大学2008年毕业论文的弹塑性质量弹簧系统。

相应的材料和结构参数基于单环在强动载荷下的弹塑性动力分析结果。

（2）通过定义环的塑性屈服点和破坏准则，可以近似描述塑性波的传播过程，进而观察环破坏发生和发展的传播过程（3）通过与有限元结果和实验结果的定量对比，表明理论模型能够很好地反映环体系的弹塑性动力特性，对进一步研究该体系的吸能特性具有重要意义。

1.3本文研究内容根据课题的研究需要，在前人工作的基础上，从理论分析和数值模拟两方面研究了圆环结构在压缩和冲击载荷下的动态响应，对金属圆环结构进行了力学分析和研究，研究了金属圆环结构在径向压缩和冲击过程中的塑性变形行为和能量吸收特性，并推导出金属圆环结构的载荷-位移曲线研究了环在冲击过程中的变形形式及其能量吸收。

在经典刚塑性理论的基础上，利用动力有限元程序LS-DYNA分析了金属环结构在冲击下的动力响应，同时对金属环结构进行了压缩和冲击试验。

对实验数据进行统计整理，绘制金属环结构的载荷-位移曲线，并在此基础上对金属环结构的抗冲击性能进行初步探讨自第5页第53页第页中国北方大学XXXX分校以来，里德等人就加强效应对环承载力的影响进行了详细的研究他们指出，材料线性强化的结果不仅增加了塑性极限弯矩，而且将图中的塑性铰扩展成塑性区。

塑性区的大小取决于无量纲参数（EptYR）12，其中Y是材料的初始屈服应力，Ep是材料的线性强化模量，，第9页，共53页12中国北方大学2008年毕业论文t是环的壁厚该参数越大，环的承载能力增加得越快。

两块板需要四个塑料铰链来破坏压环，两种常见模式如图所示（伯顿和克雷格，1963；DeRuntz和Hodge，1963）第一种模式有四个固定的塑料铰链，它们更适合软刚度，因为它有一个较高的屈服点和一个较低的屈服点。

在第二种模式中，环在移动接触点处变平两种模式的未变形截面的力作用图是相同的，因此得到了相同的力-挠度曲线。

初始失效载荷与集中力下的载荷相同，[方程2.4]由平衡条件是1RCOs？

？

2Mp（2.18）2图2.3由刚性板挤压的环具有？

？

2新？

（2.19）垂直式（2.18）和公式（2.19），并注意公式（2.4）有P？

P0（2.20）[1？

（？

D）2]12或2Yh2L？

（2.21）212D[1？

（？

D）]，其中l是圆环的宽度或圆管的长度这表明载荷随着偏转而增加（图2.3）值得注意的是，迄今为止提出的圆环分析也适用于承受类似载荷的圆管，只要屈服应力选择得当。

因此，长度不超过其壁厚几倍的短圆管可视为圆环，方程（2.18）中的y等于通过简单拉伸试验获得的屈服应力。

第10页共53页中国北方大学2008年毕业论文3年环压和冲击试验研究3.1环压试验3.1.1试验仪器名称:

电子多功能试验机型号:

CMT5105A规格:

100KN精度等级:

0.5工作原理:

试验机采用两种通过力传感器和位移传感器，可以在计算机上显示数据和图像，不仅可以知道压头的位移，还可以看到实时载荷，防止载荷过大造成过载。

3.1.2试样表3.1环试样尺寸（mm）环内径54环外径58环壁厚2环高10试样材料类型:

低碳钢，型号:

Q2353.1.3试验内容试验前，首先准备待试验的环。

环形样品的尺寸如表3.1所示打开电子多功能试验机的电源，打开试验机的开关，检查试验机的运行状态，确保其正常运行。

将试件放在压缩底座上，选择压头，用计算机控制上压头，降低上压头，直到与试件的上半部分轻微接触，停止上冲头的下降，清除位移和轴向力，设定下降速度和位移等。

；点击“运行”按钮，开始水压试验，观察试件的变形，用相机记录变形图片。

进行静压，直到冲头到达合适的位置，点击“停止”按钮，停止按压，抬起冲头，保存测试图像和数据；记录其最终变形第11页共53页页中国北方大学2008年毕业论文图3.1中国北方大学万能试验机照片3.1.4测试结果实验1:

第12页共53页页中国北方大学2008年毕业论文第13页共53页中国北方大学2008年毕业论文图3.4样本1变形图2图3.5样本1变形图3第14页:

53页中国北方大学2008年毕业论文199第15页共53页中国北方大学2008年毕业论文图3.8测试实测载荷-位移曲线载荷1400100800600400200010203004050图3.9压缩环1256的载荷-位移曲线199表3.2从试验载荷N位移mm载荷N位移mm载荷N位移mm载荷N位移MM载荷N位移MM1.127.728.5537.6547.664.280.895.2112.9126.2137.25152.75167.15181.551199获得的压缩环1的载荷-位移值1990.01479.350.15481.550.2485.950.26490.40.29495.950.35498.150.4502.60.45504.80.51509.20.56511.450.59518.050.65520.30.7523.60。

11655.3528.5111.52671.9529.4912687.4530.4912.5706.2531.512.99730.632.5213.49737.2533.0213.99748.3533.5114.49759.43415771.634.541087.0542.9924.51089.343.02251118.0543.4825.491122.543.5325.961162.354426.51205.544.51243.1545第17页，共53页，北大学199第18页共53页中国北方大学2008年毕业论文图3.12样本2变形图2图3.13样本2变形图3页19总计53中国北方大学2008年毕业论文199图3.15试件2变形图5荷载1400100800600400200010200304050图3.16压缩环的荷载-位移曲线2第20页53荷载中国XXXX北方大学在劳伦斯的主持下开发能够模拟现实世界中的各种复杂问题，特别适用于解决各种二维和三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成形等非线性动态冲击问题，并能同时解决传热、流体和流固耦合问题。

其特点主要包括以下几个方面:

1强大的分析能力2丰富的材料模型库3易于使用的单元库4充分接触模式5自适应网格生成函数6ALE和欧拉公式7SPH算法8边界元法9隐式解法10热分析11不可压缩流场分析的一般过程12跌落试验分析13强大的软硬件平台支持4.2LS-DYNA分析类似于通用CAE辅助分析软件的操作过程。

ANSYS/LS-DYNA分析流程还包括第27页，共53页中国北方大学2008年毕业论文，包括问题规划、预处理和后处理四个部分，如图4.1所示图4.1LS-DYNA分析流程应综合考虑“分析问题规划”中问题的特点、计算精度和时间；“预处理”中应规定单元类型、实常数和材料模型；建立有限元模型；定义接触和边界条件并施加载荷；输出k文件；在“加载和求解”中，设置求解参数并求解4.3求解过程4.3.1建立模型依次建立环模型和上下实体模型环的尺寸为外径58毫米，内径54毫米，高10毫米。

上部和下部实体尺寸为100毫米长、70毫米宽和70毫米高。

本文采用国际单位制\13195-mm-s-mN-KPa，环的密度为7.8E-6，松柏比为0.27，杨氏模量为2.07E8，屈服极限为3E5，剪切模量为1E7上下固体的密度为7.8E-6，松柏比为0.3，杨氏模量为2.07E8第28页，共53页页中国北方大学2008年毕业论文图4.2实体模型4.3.2单元介绍在本文中，用于环模型划分的单元类型是SHELL163单元，它是三维显式结构的固体元素，由4个节点组成。

图4.3描述了SHELL163的几何特征、节点位置和坐标系该单元仅用于动态显式分析。

它支持所有非线性特性。

图4.3几何特征4.3外壳163实体元素第29页，共53页中国北方大学2008年毕业论文本文中，用于划分影响环的实体模型的元素类型为3D-SOLID164Element。

图4.4描述了SOLID164的几何特征、节点位置和坐标系图4.4SOLID164实体元素几何特性材料模型依次通过ls-dyna>非线性>非基本>各向同性硬化>双线性各向同性选择。

密度密度、杨氏模量、泊松比、屈服应力屈服极限和切线模量分别输入，上下实体密度、杨氏模量和泊松比分别通过ls-dyna>线性>弹性>各向同性路径输入网格工具用于分别对圆环和上下实体进行网格划分，得到有限元模型，如图3.6所示。

环分为1408个单元和590个节点上部和下部实体分别被分成138个单元和60个节点第30页，共53页中国北方大学2008年毕业论文图4.5有限元模型选择主菜单>预处理器>LS-DYNA选项>零件选项生成零件选择主菜单>预处理器>ls-dynanooptions>初速度>onpart，输入速度-5000毫米/秒，将计算终止时间设置为0.008秒，将RST输出步长设置为100步，将HIS输出步长设置为10步选择主菜单>解决方案>writejobname.k命令生成k文件打开K文件，修改文件中的关键字和参数并保存。

启动LS-DYNA解算器，选择修改后的K文件，并调用LS-DYNA970解算器进行求解4.3.3后处理本文利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA中的LS-PREPOST处理器对圆环冲击数值模拟进行后处理分析。

运行最小二乘前置，选择文件>打开>二进制绘图命令，读入D3绘图结果数据文件下面是受冲击的环的变形过程图:

第31页，共53页中国北方大学2008年毕业论文图4.6环冲击初始图片图4.7环冲击变形临界状态图第32页53中国北方大学2008年毕业论文图4.8环冲击变形图图4.9环冲击变形图第33页共53页中国北方大学2008年毕业论文图4.10环冲击变形图图4.11环冲击变形图第34页共53页页中国北方大学2008年毕业论文因此，在冲击过程的模拟中，可以通过以下节点和单元的应力、位移和能量的各种曲线和云图来研究圆环的动态冲击响应图4.13环中节点9和节点11的位置撞击时环中节点9和节点11的位移曲线如下:

第35页，53页