管状结构是一种中空柱状结构，工程上存在许多内腔封闭或半封闭的小直径细长管状结构，其中有些内腔结构属关键承力结构，对使用安全至关重要。由于减轻重量和满足功能等方面的特殊要求，内腔结构在飞机上的应用尤其广泛，如平尾大轴和起落架支柱等。由于内腔结构具有封闭性，腐蚀介质难以进入。

中文名：管状结构

外文名：TubularstruCTure

描述：中空柱状结构

应用：飞机

学科：力学

圆管、方管等管状结构受轴向的压缩作用，是工程上常见的一种结构受力形式。由于几何尺寸、边界条件和材料特性的不同，管状结构可以发生5种不同的失效模式：渐进屈曲、整体失稳、翻转、膨胀和劈裂。

图1 管状结构的载荷

管状结构是工程上常用的结构承载构件，广泛在机械、土木结构设计中。以承受载荷方向划分，管状结构的载荷可以分为横向载荷、轴向载荷以及斜向载荷3种，如图1所示。横向载荷是指载荷方向垂直于管的轴线。在横向载荷作用下，管状结构的力学响应和梁很接近，因此弹性范围内可以作为具有特殊截面(空心截面)的梁进行受力和变形分析，而塑性范围内的分析则更为复杂。轴向载荷是指载荷沿着管的轴线方向，拉伸或者压缩。斜向载荷可以分解为轴向载荷和横向载荷，故其变形相当于轴压和横压两种变形模式的组合结果。考虑到管材在3种载荷作用下的力学响应区别很大，研究中的综述对象只限于受轴向压缩载荷作用的空心管。

若轴向载荷比较小，管材的变形则在弹性范围内，这是大多数工程中比较常见的情况。工程师们通常会采用一个保守的安全系数，保证结构的受力在弹性范围内，这种情况下，外载荷与结构变形之间遵循广义上的胡克定律，属于线性小变形范围内的力学分析，相对来说比较简单。但在实际应用中，结构可能遭遇超过弹性极限的载荷，如汽车正面碰撞时，其前纵梁的载荷超过弹性极限载荷，发生大的塑性变形，对汽车本身甚至乘客造成损害。与弹性响应不同，塑性响应对应不可恢复的塑性能量耗散，以及残余的塑性变形。显然塑性变形是非线性的，且与变形历史相关。因此，变形模式不同，其结构响应会有很显著的差别。

图2 轴压圆管失效模式

随着科学技术的进步，交通工具在向高速度、轻质量发展的同时，乘员的安全性受到越来越大的关注。因此，在剧烈载荷作用下，原有的承载构件需要作为能量吸收构件，以耗散碰撞过程中的冲击动能。塑性变形是将冲击载荷的能量转化为不可逆的塑性耗散能而消耗掉。薄壁圆管或方管以其良好的吸能特性，被广泛应用于飞机、火车、汽车等交通工具的能量耗散系统中。设计薄壁方管作为火车上主要能量吸收结构，用以吸收低速碰撞过程中的碰撞能量。利用薄壁圆管作为飞机上的能量吸收器，提出了一种新的圆管塑性坍塌的触发机制。与受横向载荷相比，轴向载荷作用下的管状构件具有更长的行程，能量吸收特性更好。本文将主要分析管状结构轴向载荷作用下的塑性失效形式，以及能量吸收特性。以圆管为例，在轴压作用下的塑性失效模式可以分为5类：渐进屈曲(progressivebuck—ling)，整体失稳(globalbuckling)，翻转(inversion)，膨胀(expansion)，劈裂(splitting)；如图2所示。对于这几种变形模式下的反力和能量吸收特性，很多学者从实验、理论以及数值模拟3个方面进行了深入的研究。研究详细调研了近年来公开发表的文献资料，对轴向载荷作用下的圆管及方管在不同变形模式下的力学特性、能量吸收特性进行了比较与分析，供科研工作者和工程师进行参考。

管状结构的渐进屈曲

如图2(a)所示，渐进屈曲模式是管的局部发生折叠式变形，在轴向载荷作用下，此折叠变形是在管的长度方向反复出现的一种塑性失效模式。圆管和方管都可能发生渐进屈曲。

对于轴压作用下的圆管变形模式的理论研究，主要集中于圆环模式和钻石模式，而混合模式可以看作是由两种模式的组合结果。

管状结构的整体失稳

图3整体失稳状态下圆管的变形示意图

在没有附加模具的情况下，轴压作用下的金属圆管常常会出现两种失效模式：渐进屈曲和整体失稳。当管长较短时，圆管发生渐进屈曲。但当管长较长时，由于局部扰动的影响，圆管将会发生整体失稳现象，其变形模式如图2(b)所示。就理论分析成果来讲，关于管状结构整体失稳的结果不如渐进屈曲丰富。但作为承载结构，这种失效模式很常见，因此是比较重要的。从理论、实验和模拟3个方面对圆管变形模式的转变与几何尺寸之间的关系进行了研究，定义了表示从渐进屈曲变成整体失稳时的圆管极限屈曲长度。文中采用杆的失稳理论分析了整体失稳现象，而且将渐进屈曲现象分为压缩和屈曲两个过程，其中压缩过程的作用是管的长度在压缩后缩短，屈曲过程通过弹簧质量系统进行分析。结果表明圆管以哪种失效模式失效取决于第一个褶皱的形成速度。对于强化效应弱的材料，褶皱的形成速度较快，且更稳定。通过实验研究了两种失效模式之间的过渡现象，将圆管的变形模型简化为几个塑性铰，采用塑性铰理论得到了圆形截面和方形截面管材的临界长度经验公式。分析冲击载荷对两种失效模式的影响，指出两种失效模式的形成与载荷有关。文中将圆管轴压屈曲分为动态塑性屈曲、动态渐进屈曲和整体屈曲。从应力波传播理论分析了动态塑性屈曲和动态渐进屈曲过程，得出一种基于经验的变形模式转化理论(渐进屈曲到整体失稳)，而且发现真实的变形模式的出现取决于局部变形的速度。假设在整体失稳过程中只有塑性铰部分变形，用拉格朗日方法建立动力学方程，分析整体失稳与渐进屈曲之间的转化现象，最终得出圆管的变形模式的转化与管的几何尺寸、材料属性、冲击速度和能量有关。文中指出，变形模式的转化是由第一个褶皱的形成速度决定，压缩阶段完成后速度大的变形模式为真实的变形模式。而且给出了一个基于经验的变形模式转化的临界速度。主要研究圆管在循环加载作用下的力学性能，给出了一个循环拉压加载周期内的反力的理论公式。整体失稳过程中的变形示意图如图3所示。其中边界变形采用渐进屈曲圆环模式理论进行分析，中间变形采用渐进屈曲钻石模式理论进行分析，在D/t比较大的情况下其结果与实验值符合得较好。

研究结论

对于能量吸收构件来说，需要遵循的普遍原则是，要以可控制的方式耗散外部输入的能量。若不考虑质量小、比能量吸收率高和造价低的因素，最重要的因素是：

（1）反力的峰值有限(最好为恒定的反作用力)；

（2）较长的行程，因此反力对位移积分后对应更大的能量吸收；

（3）稳定和可重复的变形模式。

从这几个方面来讲，膨胀管、劈裂管及翻转管具有比较大的优势。而渐进屈曲若能去掉不受欢迎的初始峰值载荷(如加合理的触发机构)，也是相当不错的选择。整体失稳只在很局部的区域存在塑性变形，这种变形的局部化使其他部分对能量吸收的贡献很小。因此，整体失稳作为能量吸收构件显然并不是好的备选方案。但作为承载构件，很多结构在冲击载荷下都会发生整体失稳，如汽车纵梁在纵向事故中的变形。因此，作为常用的结构，如何在保持其承载能力的前提下，提高其碰撞安全性，是有意义的研究课题。

从圆管在轴压作用下变形过程中管长变化来看，只有膨胀管发生周向的塑性变形，管长基本不发生变化；其他几种失效模式，管长均发生明显变化，其中劈裂模式的变化最剧烈，甚至可以高达90%。因此，在能量吸收构件设计和选择时，也需要考虑空间的许可条件来选择合适的形式。从工程应用方面来看，渐进屈曲不需要附加触

发模具，实际生产方便，且渐进屈曲的变形局限于轴向，不会发生很大的横向变形，故也可用于做夹芯结构的芯层。而膨胀管、劈裂管和翻转管由于其平台力稳定，振荡较小，可用于汽车、火车、飞机座椅等防撞部件的设计上。总的来讲，轴向压缩的管是工程中再常用不过的结构形式。

大量的实验研究证明用复合材料结构作为能量吸收元件要比一些常用的金属材料结构具有较高的能量吸收能力，并且压溃载荷分布均匀。复合材料管状结构作为能量吸收元件已经在航天、航空、各类运输系统、建筑和运动器材等其它防护装置方面得到越来越广泛的应用。复合材料结构的能量吸收机理和能力既不同于传统的刚度、强度等机械性能，也不同于复合材料结构在载荷作用后的损伤表征和剩余强度。因此，不论是研究的目标还是研究的手段，都有其独特之处。许多研究结果表明复合材料结构的能量吸收机理与压溃(塌陷)形态不同于金属结构。纤维的断裂及其扩展方向、基体的开裂以及纤维与基体界面的连接强度是影响复合材料结构能量吸收机理和压溃(塌陷)形态的因素。研究主要综述了有关复合材料管状结构在轴向压缩载荷和横向弯曲载荷作用下的压溃(塌陷)破坏模式和能量吸收机理，纤维材料和基体材料的性质、结构成型工艺、结构的几何参数、纤维的增强方向和铺层次序以及实验环境对结构的能量吸收能力、破坏模式和能量吸收机理的影响，以及某些有关复合材料管状结构能量吸收能力的理论预测方法。

破坏模式和能量吸收机理

（1）轴向载荷下压溃破坏模式通过大量的实验观察得出：

图4 复合材料管状结构的轴向压溃模式

a)热脆性复合材料管状结构在轴压载荷作用下首先形成初始的层间裂纹并逐步分成两部份。随着压溃变形的逐步发展，沿管子内、外向分层弯曲变形的扩展将导致复合材料沿管子的周向撕裂成较多的花瓣形状的纤维束(条)最终产生蘑菇形状的破坏。这种破坏模式具有连续稳定的压溃变形过程和较高的能量吸收能力如图4(a,b,c)所示。

b)某些热脆性复合材料管状结构在轴向载荷作用下，管内的纵向裂纹将沿着管子的周向迅速扩展而方锥形管子四角处的纵向裂纹也将沿管子的周向迅速扩展从而发生突然的脆性断裂破坏，如图4(d,e)。所示此种压溃模式是一种非稳定的破坏模式并使其能量吸收能力大大降低。

c)通过对非常薄的复合材料圆管和半角小于15°的方形锥管进行轴向压溃破坏试验，发现该类型复合材料管子在轴向压溃过程中产生变形铰并绕着该铰产生折叠如图4(f)。

复合材料增强金属内衬管子在轴向载荷作用下的压溃破坏模式主要为：

图5 纤维增强金属内衬管的轴向压溃模式

a)当复合材料增强金属管子的界面连接强度足够大时，轴向压溃模式取决于金属内衬的轴向压溃模式如图5a所示。

b)当复合材料增强金属管子的界面连接强度较弱时，纤维增强层将与金属内衬脱层分离导致该结构压溃破坏如图5c所示。

c)当金属内衬材料的延性较差时，将呈现花瓣状压溃破坏模式或突然脆性断裂如图5b和图5d所示。

（2）弯曲载荷作用下塌陷破坏模式

图6 复合材料矩形管在弯曲载荷作用下的宏观破坏模式

对于复合材料的防护拦和运输载体防撞裙边结构而言主要考虑在横向弯曲载荷作用下该结构的能量吸收能力和破坏模式。研究复合材料管状结构在端部固支约束条件下的弯曲能量吸收能力和相应的破坏模式。研究方形和矩形复合材料管子的弯曲塌陷破坏模式如图6所示。管子的顶部表层是压缩变形层，管子的底部表层是拉伸变形层，管子的两个侧面既有压缩变形又有拉伸变形。管子三个不同变形特征区域的破坏模式具有很大的差异，另外在管子四个直角部位的应力集中效应也会对复合材料管子的弯曲塌陷模式有很大影响。在靠近管子固支端部的顶层表面压缩区域发生局部屈曲并在该区域的纵向对称轴附近出现许多垂直于管子纵向对称轴的横向微裂纹。

（3）复合材料管结构能量吸收机理

随着复合材料管状结构的压溃(塌陷)变形发生和持续，其结构内的初始微裂纹开始不断扩展，并导致结构呈现出的最终宏观破坏模式：层合结构的分层，横向剪切破坏带以及纵向和横向裂纹带并伴随着结构的能量耗散(吸收)。导致复合材料层合圆管压溃破坏的机理主要有三种形式：1)分层弯曲，2)横向剪切，3)局部屈曲，如图6。所示分层弯曲破坏机理的特征表现为层合结构在平行于复合材料管状结构纵向出现多层分层或裂纹，其分层长度和裂纹长度远大于该复合材料结构层的厚度。伴随着结构压溃变形过程，分层折叠弯曲扩展的新的分层表面与轴向载荷平板表面发生的相对摩擦力是该结构在此种压溃破坏模式下能量耗散的一种因素。横向剪切破坏机理的主要特征为：沿垂直于层合结构横截面的方向呈现多处短的并穿透结构层厚度的楔形纵向裂纹和部分纤维层之间较短的纵向裂纹。横向剪切破坏形态的能量吸收机理是源自穿透结构层的楔形纵向裂纹沿纵向扩展以及分离的纤维束(板条)子层沿管子的周向发生弯曲断裂时的能量耗散。对于延性较好的纤维增强复合材料结构而言局部屈曲纤维层的压缩边呈现较大的塑性变形而在拉伸边则将纤维层撕裂产生局部分层。

图7 复合材料矩形管在弯曲载荷作用下压缩区域的细观破坏模式

方形和矩形截面复合材料管状结构在弯曲载荷作用下结构的弯曲、分层屈曲和剪切破坏形态如图7所示。弯曲破坏的表现为复合材料管状结构上下表面的纤维层与基体破裂。分层破坏主要发生在层合结构的中层面附近。剪切破坏形态为纤维层和基体发生贯穿结构横截面断裂。管子顶部层压缩区域的破坏形态为：a)基体材料的剪切变形断裂；b)分层裂纹并沿结构的纵向轴扩展；c)垂直于管子纵向对称轴的横向裂纹。管子底部层拉伸区域的破坏形态为：a)纤维从基体内拔出；b)纤维与基体之间的连接界面发生分离；c)纵向纤维层断裂与分层。管子四角奌的应力集中引起角奌附近区域开裂并影响管子顶部层压缩区域的屈曲特性。

组份材料对结构能量吸收的影响

研究结果指出碳纤维增强的热脆性成型圆管的能量吸收能力要远大于玻璃纤维和有机纤维(Kevlar)增强的热脆性成型圆管的能量吸收能力。实验结果发现二维三轴编织复合材料具有高的平面剪切刚度和强度，高的损伤容限和良好的抗扭曲变形的能力。适当的Kevlar纤维和玻璃纤维或碳纤维混杂在三轴编织复合材料圆管结构中，可以提高该混杂纤维增强复合材料圆管结构能量吸收能力。通过对复合材料增强金属圆管能量吸收能力和轴向压溃长度的理论预测分析和计算，发现金属内衬材料的机械性质也将影响复合材料增强金属圆管的轴向压溃破坏模式。

实验环境对能量吸收能力的影响

研究加载速率对于复合材料结构在压溃变形过程中形成的层间分层表面之间磨擦机理的影响。并且指出，在动态载荷作用下薄壁的玻璃纤维/聚脂复合材料圆管、方管和锥型管的能量吸收能力低于其相应结构在静态载荷作用下的能量吸收能力。研究环境温度、湿度和界面强度对玻璃纤维布/环氧复合材料管子压溃破坏模式及其能量吸收能力的影响，试验结果表明随着结构的温度升高复合材料圆管的能量吸收能力将降低。另外复合材料管状结构的能量吸收能力还将随着材料的水份增加而降低。

理论预测方法

以实验观察为基础，建立相应的理论预测模型通过合理的计算方法和优化设计使得该类结构具有最大的能量吸收能力，一直是该领域的研究工作者非常关注的焦点。基于一个在弹性基体上的柱屈曲方程，给出复合材料圆管结构压溃(蹋陷)力的理论预测公式。以分层内、外折叠弯曲压溃破坏模式为依据给出了理论预测复合材料圆管在压溃过程中结构吸收能量的解析表达式。利用有限元计算方法来预测复合材料圆管的压溃载荷。利用DYNA3D应用程序软件包计算各种几何参数的复合材料管状结构的轴向压溃载荷，并且指出利用有限元程序来预测复合材料管状结构的压溃模式的难点和应注意的地方。

通过对近年来有关复合材料管状结构能量吸收机理和压溃(蹋陷)破坏模式能量吸收能力的主要研究回顾，可以看出复合材料结构的能量吸收机理和压溃(蹋陷)破坏模式远比金属结构件复杂、并有许多问题有待进一步的深入研究。如：

a)纤维材料的纺织结构和不同类型纤维材料的混杂效应以及界面的连接强度对结构破坏模式和能量吸收能力的影响。

b)纤维增强金属管状结构的能量吸收机理和压溃(蹋陷)破坏模式和理论预测方法的进一步深入的研究。

c)各种实验环境对复合材料管状结构件压溃(蹋陷)破坏模式和能量吸收能力的影响。

d)组份材料的微观破坏机理与复合材料管状结构的能量吸收能力之间的关系。