弹性拉杆在冲击载荷下的力学性能分析

陈凯帆1，魏小辉1,2，何思元1，聂宏1,2，徐奎2

(1.南京航空航天大学 飞行器先进设计技术国防重点学科实验室，江苏 南京210016）

(2.南京航空航天大学 机械机构力学及控制国家重点实验室，江苏 南京210016)

    弹性拉杆是某断离机构的重要元件，其在静力载荷和冲击载荷下的力学响应特性尤为关键。采用理论方法和有限元方法分别建立了该弹性拉杆在静力载荷和冲击载荷下的分析模型，得出了其在不同加载速率下的位移响应特性，发现在冲击载荷下弹性拉杆有明显振荡，其位移有0.06mm左右的振幅。进而研究了不同材料对弹性拉杆在冲击载荷下的力学性能的影响，发现在10 000kN/s的加载速率下，现阶段的常用金属材料所表现出的力学性能是一样的，并且与静力载荷下的力学性能相同。

    在爆炸、冲击等强动载荷的作用下,结构将表现出与准静态情形很不相同的力学行为。材料在受到这种载荷时，意味着高加载率或者高应变率。在冲击载荷中，材料的应变率达到了10  2～104s-1,甚至106s-1，然而在准静态过程中只有10-5～10-1s-1，所以材料将表现出与准静态不同的力学行为，这是需要好好研究的［1］。

    近来已有很多力学工作者对结构在动载作用下的力学特性作了一系列研究。许卫群采用移行铰模型和有限元法分别对结构在冲击载荷下的响应进行了分析［2］；黄顺兵模拟了4种不同实验来研究冲击载荷下的响应问题，并通过模拟结果与试验结果相比较得出，仿真分析的成功在于实际工程结构的有限元模型建立得是否合理与材料模型的选择能否真实反映出结构在不同受力状态下的性能两个元素［3］。但是由于模型的复杂性、时间和其他条件的限制，这些理论研究所建立的理论模型与实际情况存在不少误差，还有需要改进的地方。

    本文主要对弹性拉杆进行冲击载荷下的力学性能研究，即利用理论模型计算和有限元软件Patran/Nastran分析其在冲击载荷下的力学性能，并通过改变材料属性来分析其对杆件力学性能的影响。

1弹性拉杆模型与载荷工况

    弹性拉杆的结构示意图如图1所示，其在冲击载荷作用下的变形量是某断离机构的关键技术参数。其材料为300M，弹性模量为1.98×1011N/m2，泊松比为0.3，密度为7 740kg/m3。

图1拉力杆模型

    此杆件只受轴向载荷，杆的一端固定，一端受载。载荷工况共有5个，第一个工况为缓慢加载，其余4个工况的加载速率不断提高。5个工况的载荷数值相同。载荷情况见表1，其中当力达到最大值时载荷继续保持。

表1载荷工况

加载速率/（kN·s-1）        载荷/kN

缓慢加载                     500

100                       500

1 000                      500

10 000                     500

100 000                    500

作者简介：陈凯帆（1990—），男，江苏盐城人，南京航空航天大学硕士研究生，主要研究方向为飞行器起落装置设计技术。
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