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。
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。
管状结构管状结构的整体失稳
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。
管状结构研究结论
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。
基于Web的计算机辅助设计系统的研究
管状结构概念