冲击荷载作用下梁的变形研究方法分析

杨建江

摘 要：梁结构在工业工程领域应用十分广泛，但冲击载荷作用下梁的变形是困扰其发展的主要因素，本文针对梁的变形研究方法总结，研究的意义在于精确预测工业工程领域梁结构的冲击变形，并为抗击结构的设计提供参考，以提高梁的使用性能。

关键词：梁冲击变形分析；研究方法

梁结构在工业工程领域广泛使用，但是大跨度结构往往受到冲击的作用，梁两端及中间产生很大变形，严重影响梁结构的使用性能，乃至影响整个结构安全。当梁受到较强的冲击荷载或突然加速度时，由于梁只受到两点固定约束，加上自身的横向刚度差，就无法很好的规避它会产生大幅度的变形而且可能会造成破坏性的塑性变形，它会致使桥梁失去它原来所具有的功能，因此对梁的冲击响应分析研究迫在眉睫，亟待寻找一种计算冲击变形的可靠方法，旨在发现梁在冲击荷载作用下的响应规律，预测变形，为结构设计提供参考，从而减少工程事故的发生。理论研究、数值计算分析方法等在对于梁在受到冲击荷载下的研究时都会有一定的难度出现，本篇文章主要从国內试验方法和有限元研究方面的发展趋势，为在本领域的研究者提供参考依据。

1 研究的方法

60年代，就有了关于冲击荷载作用下梁的变形问题的研究，国内研究冲击变形问题的高潮主要对在冲击过程当中涉及到的梁的弹性，冲击产生的时间以及冲击荷载方面的研究。最大变形以及动态响应进行研究，研究方法主要采用试验研究和理论数值分析两种。

1.1 试验性研究

要进行准确研究进行动态的及其重要的前提是对冲击试验方法进行正确选举。目前，国际上也没有对测试桥梁抗冲击性能方面的试验方法制定出规范的标准，根据梁动力试验设备的特点以及应变速率的范围来讲，SHPB试验、落锤冲击试验、摆锤冲击试验、 MTS快速加载试验等。以上方法各具特点，目前使用较多的仍然是重力落锤冲击试验。

60年代，格林最早提出了用重复落球自由下落击打的方法来确定梁的抗冲击性能。后来多位学者改进了格林自由下落方法，认真钻研出自由落锤试验机并且把它作为用于关联与梁动态特性方面的研究，从而得出控制冲击脉冲由落锤下落时候的距离以及等落锤质量决定。试块上加橡胶垫来对加载时间进行延长的装置装置简单，操作方面易懂，获得各国的学者的普遍推荐。

由于落锤式冲击试验对试验条件要求不高，能耗几乎为零，价格低廉，方法评价也简单，还可以进行对任何厚度的桥梁进行抗冲击性能方面的测试，它被认为是冲击试验中最简单的试验方式。它的准确性不太高，主要是因为认为手工操作精确度低，可控性不高，这样冲击锤会产生多次不规律的冲击，另外支座移动也会造成试验结果有偏差。 鉴于上述因，现在新的通过改良后的落锤试验装置也被采用了，有些人通过磁性开关来对冲击锤进行定位，从而克服了手动定位造成数据不准确的常见问题.通过实验我们不难看出这种装置的试验能够很不错的适应多次反复试验用来统计冲击次数的试验中去。

1.2 理论研究

当有冲击荷载作用在结构上的时候，一般情况下要先考虑到应力波的传播和结构的动态反应方面的响应结果。应力波主要是从物体局部扰动及其传播方面来进行做出研究。这里先直接进行对研究的结构编写结果，先忽略掉结构的动态响应扰动传播的过程。冲击响应是指系统受到的阶跃或其他顺泰的非周期激励下的短暂的一种脉冲响应。这种冲击响应所引起的关于梁的震动反应出来的能可以特别快的消失掉，但是冲击响应引起的位移以及最大的应力有可能会让它失去使用功能乃至使整个系统方面的破坏。从理论方面来看，梁在受到冲击激励时候所产生的最大的响应反应会痛它受到的冲击时间持续的长短以及梁的自身的原本有的周期有很大的关联。 当系统固有周期大于冲击持续时间时，最大冲击响应则大大减弱，成为简单冲击，工程实践中，梁受到冲击作用时，最大冲击响应值对梁的变形影响最大，破坏作用也最大。

在理论研究上，梁的冲击变形主要是弹塑性方面的问题，材料以及结构方面的弹塑性之间的行为是同其加载时候随着它产生的一些变形的历史有很大关系。在求解的过程里面，一般情况下会先把荷载分成好几个增量，然后再重点对他们之间的每一个增量所对应的弹塑性的线性化来进行对比分析，让非线性方面的问题转变成好几个线性方面的问题来得出结论。

找出一个合适的体系做参考，不但要考虑到工程设计方面的习惯，而且又要顾及到方便建立模型。从结构方面的特点来看，类型不同的单元，可以同时用到符合结构上，不同类型的单元的处理也不尽相同，处理的方法也不一样，这些因素我们都要充分的考虑进去。要想确定出单元合理的尺寸以及理想的阶次，就要充依据计算分析过程中的精度、计算的周期以及所花费的费用等这些方面的要求。从工程的需要方面，来具体定出分析的类型以及计算的工况等，与此同时还要分析到参数的区间和确定出最大的危险工况等方面的问题。要确定出各个工况边界的约束以及有效的进行荷载计算，主要取决于结构受载的状态和结构实际支撑的状况。以此为参考来计算应力、位移、以及应变等其它的物理量；分析变形的时候，先从网格中的每一个节点的位移（矢量）来进行计算，然后再进行变形梯度等别的物理量的计算，通常情况下把模型能网格化，就可以对它求解出来，但是如果没有定义出载荷或者材料，那么就无法求解出来。

我们把最大的位移点随着时间变化做出的响应变化的位移时间的曲线以及最大位移时所对应的临界点之间的时间都绘制出来，然后再看一下临界时间位移的云图。对应瞬间的分析，主要是用到了列表的方法来加载看来随着时间的变化而出现的冲击荷载以及时间历程等。通过最大位移点跟着时间不同的位移-时间图以及临界时间的位移云图我们可以不难看出来，通过受力实际受到的情况来分析，对于优化的梁的设计是合理的。求解的精度是同对网格划分出来的精度有很大的关系的，因此应该在条件允许范围内尽可能的把网格细化一下，以最大限度的确保有限元的准确性的分析。

2 结论

通过上述介绍，使用有限元方法和使用试验方法进行分析梁的冲击变形问题，都有优缺点，有限元分析必须有较高精度，其分析结果才是可信的，其分析结论才能在产品设计中实际使用。试验方法的影响因素较多，试验过程中很难发现问题。笔者建议理论计算和试验相结合，互补充，得到的结果用来做进一步计算分析，分析梁的力学特性和使用功能，为设计提供理论依据。