基于格栅增强的端部折纸复合管件能量吸收性能研究的学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于《固体力学学报》2025年第46卷第5期，由中国商飞上海飞机设计研究院李海燕、中国运载火箭技术研究院明世朝及大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室周才华等作者共同完成。该研究针对轻质薄壁管件能量吸收性能的不足，提出了一种将轻质格栅结构引入端部折纸管件内部的新型复合构型，通过准静态轴压试验与有限元分析系统研究了其能量吸收性能。

在航空航天、轨道交通、汽车工程等领域，管件结构作为能量吸收装置的重要组成部分，其吸能性能直接关系到结构的安全性和可靠性。传统的管件吸能结构（如薄壁圆管、方管等）在轴向压缩下通常发生渐进折叠变形，吸能效率受限于材料的屈服强度和变形模式。折纸结构作为一种新型轻量化吸能构型，通过预先设计的折叠模式实现可控的渐进变形，具有较高的比吸能（specific energy absorption）和比刚度（specific stiffness）。然而，单一折纸管件的平均力较低，难以满足某些高载荷工况下的吸能需求。

复合构型的设计原理与吸能机理

该研究的核心创新在于将格栅结构与折纸管件进行复合设计。外部折纸管件负责引导变形模式，内部格栅结构提供额外的吸能贡献。这种"外折纸+内格栅"的复合构型在变形过程中，外部折纸管件通过其预设的折叠模式引导内部格栅结构发生有序变形，避免了格栅结构可能出现的非对称屈曲或局部失稳，从而实现了更稳定、更高效的能量吸收。

相较于单一端部折纸管件，引入内部格栅结构后整体结构的平均力提升了14.77%。这一提升幅度虽然看似不大，但在吸能结构设计中具有重要的工程意义——平均力的提升意味着在相同变形量下可以吸收更多的能量，或者在相同吸能需求下可以使用更轻的结构。

研究进一步揭示了关键参数对复合管件吸能性能的影响规律。格栅及管件厚度比、格栅纵向胞元数目、格栅构型宽度比等参数均对吸能性能产生显著影响。其中，改变内部格栅厚度及宽度比可使结构平均力提升达30.75%，这一参数敏感性表明格栅结构的几何设计是优化复合管件吸能性能的关键因素。

变形模式分析与理论预测

该研究通过准静态轴压试验和有限元分析，系统观察了复合管件在不同参数下的变形模式。研究发现，关键参数的变化可使结构发生对称变形、钻石变形、延展变形及混合变形等多类变形模式，不同变形模式对应不同的吸能效率。对称变形模式通常具有较高的吸能效率，而钻石变形和混合变形模式则可能在特定载荷条件下提供更优的吸能表现。

在理论预测方面，作者基于超折叠单元法开展了复合管件平均力的理论预测。超折叠单元法是一种基于能量法的结构分析理论，通过将复杂结构分解为基本折叠单元，利用单元间的协调条件和能量平衡关系建立整体结构的力学模型。理论预测结果与试验结果的误差为12.1%，这一精度在吸能结构的理论分析中处于可接受水平，验证了该理论方法的适用性。

从工程应用的角度，理论预测方法的价值在于提供了一种快速评估不同构型吸能性能的工具，可以在试验和有限元分析之前进行初步筛选，大大减少设计迭代次数，缩短产品开发周期。

工程应用前景与思考

该研究由航空航天领域的研究机构与高校联合完成，其研究成果在航空航天器着陆缓冲、运载火箭逃逸系统、轨道交通车辆碰撞吸能结构等领域具有广阔的应用前景。在航空航天领域，轻质高强是结构设计的核心要求，复合管件吸能结构需要在有限的质量预算内实现最大化的能量吸收，这正是该研究的核心价值所在。

然而，从工程落地的角度，我认为还需要关注以下几个问题。第一，复合管件的可制造性。折纸结构和格栅结构的组合增加了成型难度，需要研究合适的制造工艺（如激光切割、液压成形、增材制造等）来实现该复合构型。第二，动态载荷下的吸能性能。准静态轴压试验的结果不能完全反映动态碰撞工况下的吸能行为，需要开展高速冲击试验验证动态吸能性能。第三，吸能结构的失效模式与安全性。在极端载荷条件下，吸能结构可能发生突然失效，需要研究其失效判据和安全裕度。

学习心得与启示

该文献展示了折纸力学与格栅结构设计的巧妙结合在吸能管件领域的应用潜力。作为长期从事管件成形与结构分析的技术人员，我深刻认识到，吸能结构的设计不仅仅是材料选择和几何参数优化的问题，更是一个涉及变形机理、能量传递路径和失效模式的系统工程。折纸结构的引入为管件吸能设计提供了全新的自由度——通过预设折叠模式来精确控制变形路径，这是传统管件结构无法实现的设计灵活性。

同时，该研究也体现了跨学科合作的重要性。折纸力学、格栅结构设计、有限元分析、试验验证等多个领域的知识融合，才使得这一创新构型得以实现。在实际工程项目中，我们应当鼓励跨专业团队协作，打破学科壁垒，从多维度探索结构优化的可能性。随着轻质高强材料和先进制造技术的发展，复合管件吸能结构将在更多工程领域得到应用，这是值得持续关注和深入研究的前沿方向。