沖擊荷載作用下梁的變形研究方法分析

楊建江

摘 要：梁結構在工業工程領域應用十分廣泛，但沖擊載荷作用下梁的變形是困擾其發展的主要因素，本文針對梁的變形研究方法總結，研究的意義在于精確預測工業工程領域梁結構的沖擊變形，并為抗擊結構的設計提供參考，以提高梁的使用性能。

關鍵詞：梁沖擊變形分析；研究方法

梁結構在工業工程領域廣泛使用，但是大跨度結構往往受到沖擊的作用，梁兩端及中間產生很大變形，嚴重影響梁結構的使用性能，乃至影響整個結構安全。當梁受到較強的沖擊荷載或突然加速度時，由于梁只受到兩點固定約束，加上自身的橫向剛度差，就無法很好的規避它會產生大幅度的變形而且可能會造成破壞性的塑性變形，它會致使橋梁失去它原來所具有的功能，因此對梁的沖擊響應分析研究迫在眉睫，亟待尋找一種計算沖擊變形的可靠方法，旨在發現梁在沖擊荷載作用下的響應規律，預測變形，為結構設計提供參考，從而減少工程事故的發生。理論研究、數值計算分析方法等在對于梁在受到沖擊荷載下的研究時都會有一定的難度出現，本篇文章主要從國內試驗方法和有限元研究方面的發展趨勢，為在本領域的研究者提供參考依據。

1 研究的方法

60年代，就有了關于沖擊荷載作用下梁的變形問題的研究，國內研究沖擊變形問題的高潮主要對在沖擊過程當中涉及到的梁的彈性，沖擊產生的時間以及沖擊荷載方面的研究。最大變形以及動態響應進行研究，研究方法主要采用試驗研究和理論數值分析兩種。

1.1 試驗性研究

要進行準確研究進行動態的及其重要的前提是對沖擊試驗方法進行正確選舉。目前，國際上也沒有對測試橋梁抗沖擊性能方面的試驗方法制定出規范的標準，根據梁動力試驗設備的特點以及應變速率的范圍來講，SHPB試驗、落錘沖擊試驗、擺錘沖擊試驗、 MTS快速加載試驗等。以上方法各具特點，目前使用較多的仍然是重力落錘沖擊試驗。

60年代，格林最早提出了用重復落球自由下落擊打的方法來確定梁的抗沖擊性能。后來多位學者改進了格林自由下落方法，認真鉆研出自由落錘試驗機并且把它作為用于關聯與梁動態特性方面的研究，從而得出控制沖擊脈沖由落錘下落時候的距離以及等落錘質量決定。試塊上加橡膠墊來對加載時間進行延長的裝置裝置簡單，操作方面易懂，獲得各國的學者的普遍推薦。

由于落錘式沖擊試驗對試驗條件要求不高，能耗幾乎為零，價格低廉，方法評價也簡單，還可以進行對任何厚度的橋梁進行抗沖擊性能方面的測試，它被認為是沖擊試驗中最簡單的試驗方式。它的準確性不太高，主要是因為認為手工操作精確度低，可控性不高，這樣沖擊錘會產生多次不規律的沖擊，另外支座移動也會造成試驗結果有偏差。 鑒于上述因，現在新的通過改良后的落錘試驗裝置也被采用了，有些人通過磁性開關來對沖擊錘進行定位，從而克服了手動定位造成數據不準確的常見問題.通過實驗我們不難看出這種裝置的試驗能夠很不錯的適應多次反復試驗用來統計沖擊次數的試驗中去。

1.2 理論研究

當有沖擊荷載作用在結構上的時候，一般情況下要先考慮到應力波的傳播和結構的動態反應方面的響應結果。應力波主要是從物體局部擾動及其傳播方面來進行做出研究。這里先直接進行對研究的結構編寫結果，先忽略掉結構的動態響應擾動傳播的過程。沖擊響應是指系統受到的階躍或其他順泰的非周期激勵下的短暫的一種脈沖響應。這種沖擊響應所引起的關于梁的震動反應出來的能可以特別快的消失掉，但是沖擊響應引起的位移以及最大的應力有可能會讓它失去使用功能乃至使整個系統方面的破壞。從理論方面來看，梁在受到沖擊激勵時候所產生的最大的響應反應會痛它受到的沖擊時間持續的長短以及梁的自身的原本有的周期有很大的關聯。 當系統固有周期大于沖擊持續時間時，最大沖擊響應則大大減弱，成為簡單沖擊，工程實踐中，梁受到沖擊作用時，最大沖擊響應值對梁的變形影響最大，破壞作用也最大。

在理論研究上，梁的沖擊變形主要是彈塑性方面的問題，材料以及結構方面的彈塑性之間的行為是同其加載時候隨著它產生的一些變形的歷史有很大關系。在求解的過程里面，一般情況下會先把荷載分成好幾個增量，然后再重點對他們之間的每一個增量所對應的彈塑性的線性化來進行對比分析，讓非線性方面的問題轉變成好幾個線性方面的問題來得出結論。

找出一個合適的體系做參考，不但要考慮到工程設計方面的習慣，而且又要顧及到方便建立模型。從結構方面的特點來看，類型不同的單元，可以同時用到符合結構上，不同類型的單元的處理也不盡相同，處理的方法也不一樣，這些因素我們都要充分的考慮進去。要想確定出單元合理的尺寸以及理想的階次，就要充依據計算分析過程中的精度、計算的周期以及所花費的費用等這些方面的要求。從工程的需要方面，來具體定出分析的類型以及計算的工況等，與此同時還要分析到參數的區間和確定出最大的危險工況等方面的問題。要確定出各個工況邊界的約束以及有效的進行荷載計算，主要取決于結構受載的狀態和結構實際支撐的狀況。以此為參考來計算應力、位移、以及應變等其它的物理量；分析變形的時候，先從網格中的每一個節點的位移（矢量）來進行計算，然后再進行變形梯度等別的物理量的計算，通常情況下把模型能網格化，就可以對它求解出來，但是如果沒有定義出載荷或者材料，那么就無法求解出來。

我們把最大的位移點隨著時間變化做出的響應變化的位移時間的曲線以及最大位移時所對應的臨界點之間的時間都繪制出來，然后再看一下臨界時間位移的云圖。對應瞬間的分析，主要是用到了列表的方法來加載看來隨著時間的變化而出現的沖擊荷載以及時間歷程等。通過最大位移點跟著時間不同的位移-時間圖以及臨界時間的位移云圖我們可以不難看出來，通過受力實際受到的情況來分析，對于優化的梁的設計是合理的。求解的精度是同對網格劃分出來的精度有很大的關系的，因此應該在條件允許范圍內盡可能的把網格細化一下，以最大限度的確保有限元的準確性的分析。

2 結論

通過上述介紹，使用有限元方法和使用試驗方法進行分析梁的沖擊變形問題，都有優缺點，有限元分析必須有較高精度，其分析結果才是可信的，其分析結論才能在產品設計中實際使用。試驗方法的影響因素較多，試驗過程中很難發現問題。筆者建議理論計算和試驗相結合，互補充，得到的結果用來做進一步計算分析，分析梁的力學特性和使用功能，為設計提供理論依據。