不同材料交叉框架的抗冲击性能与能量吸收分析 吕中华、 王浩宇、 华光如、 姚彦良、 邢敏、 张志国、 王雷、 刘云星、 贾伟穆、 罗林毅

《Materials》：Impact Resistance and Energy Absorption Analysis of Crossover Frames with Different Materials Zhong-Hua Lv, Hao-Yu Wang, Guang-Ru Hua, Yan-Liang Yao, Min Xing, Zhi-Guo Zhang, Lei Wang, Yun-Xing Liu, Wei-Mu Jia and Lin-Yi Luo

　　摘要：为了解决超高电压（UHV）输电项目中交叉框架抗冲击能力不足的问题，本研究探讨了使用Q420钢、45钢、6061-T6铝合金和EP玻璃纤维制成的无阻尼框架的抗冲击响应和能量吸收性能。建立了一个能量转换模型，并在0.5–5.0米的落差高度范围内进行了1:20比例的测试和有限元仿真。结果表明，Q420钢具有最高的能量吸收能力；铝合金在特定能量吸收和轻量化性能方面表现良好；45钢的表现中等；玻璃纤维虽然能降低峰值力，但其能量耗散能力有限且存在脆性断裂的风险。金属的抗冲击效率随落差高度的增加而提高，而玻璃纤维的抗冲击效率略有下降。本研究为材料选择和交叉框架的优化提供了理论基础。

1. 引言
随着我国城市化进程的不断推进，超高电压（UHV）输电项目的规模持续扩大，输电线路在建设过程中穿越铁路、公路等关键设施的情况日益常见。在此类施工中，交叉框架作为临时支撑系统，其稳定性和安全性直接关系到下方交通运行及现场人员的安全。尽管交叉框架仅在导体铺设期间使用，但其安全要求远高于一般的临时结构。当输电线路穿越铁路、公路、高速轨道等关键设施时，导体意外断裂或失控可能产生强烈的冲击载荷。现有的传统交叉框架通常仅针对静态载荷设计，缺乏有效的抗冲击能力和能量耗散机制[1]，这可能导致结构坍塌、交通瘫痪和严重的安全隐患。因此，研究交叉框架的抗冲击响应和能量吸收特性对于提高其在极端动态载荷下的安全性和可靠性至关重要。

在交叉框架结构的研究中，罗一华开发了一种自升式交叉框架，该框架结合了自支撑塔和梁臂，提高了结构的可调节性和适应性[2]；魏S提出了一种模块化组装交叉框架，以简化安装过程并提高施工效率[3]；孟凡浩等人设计了配备能量吸收装置的悬挂式交叉框架，以改善其在冲击载荷下的动态响应和能量耗散性能[3]。现有研究主要集中在交叉框架结构和阻尼装置上，而对交叉框架抗冲击性能的研究仍不够充分。

在增强结构抗冲击能力方面，一些研究人员尝试引入阻尼装置来提高能量耗散能力[4,5]；孟等人将液压能量吸收装置与悬挂式交叉框架结合使用，有效提升了结构的抗冲击性能[6]；Wieczorek等人探索了在轮椅框架中使用先进材料来增强振动阻尼的潜力[7]。然而，这些研究主要集中在阻尼器对结构的影响以及交叉框架的固有结构上，而对交叉框架能量吸收特性的研究仍然不足。

在能量吸收效果的研究方面，肖Y等人采用铝泡沫-聚氨酯弹性体复合材料作为缓冲和能量吸收元件，在冲击载荷下通过变形实现了满意的能量耗散[8]；Malewska E等人使用回收的聚氨酯生物泡沫制备了可用于结构缓冲和减振的新材料[9,10,11]；Florence A等人设计了混合纤维蜂窝芯增强聚合物夹层结构，利用蜂窝结构的能量耗散机制提高了整体的缓冲和能量吸收性能[12,13,14]；Karabanova L等人制备了基于聚氨酯的纳米复合材料，用作噪声和振动阻尼能量吸收装置[15]。

在防护结构和缓冲系统领域，大量研究表明可变形能量吸收系统可以有效减少冲击载荷并改善结构的动态响应。Lee等人通过实验和数值模拟验证了可变形混凝土屏障可以通过弹性-塑性变形耗散冲击能量，显著降低峰值冲击力并提高结构安全性[16]；Kim等人分析了结构在冲击下的失效和破碎情况，进一步表明适当的可变形能量吸收设计可以抑制脆性损伤并减少冲击危害[17]。这些关于可变形能量吸收系统的研究为输电交叉框架的抗冲击设计提供了重要指导，并强调了在临时支撑结构中引入能量吸收机制的必要性。

目前，大多数关于交叉框架的研究仅从机械角度分析结构性能，对冲击缓冲和能量耗散机制的关注不足。对交叉框架所用主要材料的能量吸收效应的系统研究仍然相对匮乏。当导体突然断裂时，会产生大量动能，电缆中的张力也会瞬间变化。当这些能量传递到交叉框架结构时，会对框架造成巨大冲击。因此，为了应对导体断裂的突发冲击情况并防止结构因瞬时载荷而过度变形甚至坍塌，必须在交叉框架中引入或设计抗冲击能量吸收结构和缓冲装置作为必要的安全措施。本文重点研究了不同材料制成的交叉框架的能量吸收特性，为后续缓冲型交叉框架的最佳设计提供了依据。

2. 交叉框架的基本结构和测试设计
2.1 交叉框架的基本结构和参数
无阻尼交叉框架的主要结构包括支撑底座、缓冲装置、主框架和网状覆盖层。无阻尼交叉框架的结构如图1所示。阻尼交叉框架的主要参数见表1，视图方向是从左下到右上。图1：(a) 无阻尼交叉框架结构；(b) 阻尼交叉框架原型。表1：交叉框架系统参数。根据《电力施工安全工作规程》和《特高压架空输电线路张力架设施工技术指南》的规定，该交叉框架的高度设计为1000毫米，单侧宽度为680毫米，垂直构件间距为170毫米，水平构件间距为250毫米。

目前常用的工程材料包括玻璃纤维（环氧树脂EP）、铝合金（6061-T6）[18,19]、结构钢（Q420）和45钢。各种材料的参数见表2。表2：材料参数。

2.2 交叉框架的测试设计
首先确定了研究对象和四种实验材料（Q420结构钢、45钢、6061-T6铝合金和环氧树脂玻璃纤维）。随后通过数值模拟确定了导体的最大落差高度，并验证了实验范围内的结构安全性。由于实际阻尼交叉框架的跨度较大，构建全尺寸测试环境需要大量资源和高昂成本。考虑到测试效率和经济性，采用了1:20的比例模型进行测试，以确保性能指标满足工程要求。测试采用控制变量法，使用结构配置相同的交叉框架，仅更换主体材料作为单一变量，以系统比较不同材料的能量吸收性能，并避免测试过程中因过度拉力导致的结构损坏。建立了1:20比例的交叉框架测试模型，并进行了多高度梯度落差冲击测试，以获取机械响应和能量吸收数据。通过多次理论计算和ANSYS（版本2022 R1，ANSYS公司，美国卡农斯堡）仿真迭代，以Q420结构钢交叉框架为参考，确定了导体冲击的最大安全落差高度约为5米。在此基础上，测试落差范围设定为0.5–5.0米，步长为0.5米。这种设置可以全面覆盖不同冲击能量下的应力特性，比较不同材料在不同高度下的能量吸收效果，并确保所有测试条件都在结构承载安全范围内。仿真验证表明，即使在没有额外阻尼的情况下，最大落差高度为5米时，交叉框架也不会被拉脱，证明选定的高度区间没有超过结构的极限承载能力。

详细的测试准备和测量步骤如下：
- 将缩比交叉框架搭建在稳定的基础上。
- 将应变计（BX120-3AA，汉中京城电气有限公司，中国汉中）安装在交叉框架的尼龙顶横梁上。
- 将应变计连接到动态信号测试和分析仪器（DH5922D，东华测试技术有限公司，中国靖江）。
- 仪器进一步连接到计算机显示终端，形成完整的数据采集系统。
- 在测试过程中，从预设高度释放导体，使其自由下落并冲击交叉框架。
- 动态信号采集系统实时收集、显示和记录瞬态应力和张力数据。
- 在验证实验数据的有效性后，进行理论计算和ANSYS仿真，分析每种材料的能量吸收效率和机械特性。
- 最后，比较不同材料的能量吸收性能和机械响应，得出结论，并提出无阻尼交叉框架的材料选择建议。详细的实验流程如图2所示。图2：实验流程图。

交叉框架架设在地面上。安装好交叉框架后，将应变计连接到尼龙杆上，并连接到动态信号测试和分析仪器，再连接到计算机显示终端。然后释放导体使其下落并冲击交叉框架，计算机显示终端分析由此产生的应力情况——这些数据来自测试。图3展示了实验过程的实际情况。图3：实验过程的真实照片。进行这项测试和仿真验证的目的是为了找到具有最佳能量吸收性能的阻尼器，以匹配缓冲型交叉框架的需求。缓冲型交叉框架的主要结构包括支撑底座、缓冲装置、主框架体和网状覆盖层。

由于阻尼交叉框架的跨度较大，构建全尺寸测试环境需要大量资源和高昂成本。考虑到测试效率和经济性，采用了1:20的比例模型进行测试，以确保性能指标满足要求。通过设置不同的落差高度，测试研究了各种阻尼装置下的横梁张力以及不同阻尼系数下的横梁张力。

图4展示了测试准备工作。为了系统比较不同材料制成的交叉框架的能量吸收性能，并防止测试过程中因过度拉力导致的结构损坏，本研究使用了结构配置相同的交叉框架，仅更换主要材料作为变量。选择了四种常用的工程材料——玻璃纤维（环氧树脂EP）、铝合金（6061-T6）、结构钢（Q420）和45钢——来评估它们的抗冲击能力和能量吸收效果。通过多次理论计算和仿真迭代，以结构钢Q420交叉框架为参考，确定了导体的最大落差高度约为5米，具体参数见图5。基于此，实验将落差范围设定为0.5–5.0米，逐步增加0.5米。该方案可以全面表征不同材料在不同冲击高度下的能量吸收特性，同时确保所有测试条件都在结构安全范围内。仿真结果表明，参考材料（结构钢Q420）在5米落差冲击下没有发生断裂。这表明在选定的0.5–5.0米落差范围内，这四种材料制成的交叉框架都具有足够的强度来承受导体冲击张力，且不会超过其极限承载能力。图5：确定横梁模拟中的落差高度。图中左上角的中文从上到下表示以下含义：D：显式动力学；等效应力；类型：等效应力；单位；时间；循环次数；最大值；最小值。

2.3. 材料模型和实验数据采集
为了系统地获取不同材料制成的交叉框架的冲击响应和能量吸收特性，对四种材料配置进行了1:20比例的落锤冲击测试：Q420结构钢、45钢、6061-T6铝合金和EP玻璃纤维。测试在0.5米到5.0米的落锤高度范围内进行，使用应变计测量和动态信号采集来记录每种条件下的瞬态应力-时间历史。这些实验数据为比较机械分析和后续的有限元仿真验证提供了基础。

关于本构建模，根据每种材料的典型机械行为，在数值仿真中采用了适当的简化方法。Q420结构钢和45钢使用考虑了屈服后流动和硬化的弹塑性本构律进行建模[20]。6061-T6铝合金采用了一个与速率无关的弹塑性模型来反映其良好的延展性。EP玻璃纤维作为一种脆性复合材料，用一个具有定义的失效阈值的线性弹性模型来描述，以捕捉其低刚度和以弹性为主的能量吸收特性。这些材料的详细机械响应和能量吸收数据在第3节中进行了展示和讨论。

2.4. 全尺寸工作条件验证和尺寸分析
为了明确1:20比例模型测试在多大程度上可以指导全尺寸工程评估，首先进行了严格的尺寸分析。然后使用得到的缩放关系来解释20米全尺寸交叉框架的有限元仿真，从而确认从实验中得出的定性材料比较的有效性。

对于主要由惯性和弹性力主导的冲击事件，Buckingham Π定理决定了缩放定律。定义长度尺度因子为λ，保持材料密度ρ和重力g不变，所需的严格弹性-惯性相似性因子列在表3中，同时列出了本实验实际实现的因子。表3. 1:20冲击测试所需的与实际的比例因子。两个尺度下的落锤高度必须保持相同，以确保相似性。然而，在实验中，落锤高度减少了相同的1/20几何因子，导致冲击速度仅为原型的1/20。这种重力畸变效应从根本上使得任何直接的力或能量读数的定量外推变得无效。以下小节提供了力-尺度不匹配的明确量化。

2.4.1. 实际力缩放因子的定量推导
使用等效弹性冲击模型，峰值冲击力F можно表示为：
(1)
其中k是等效结构刚度，m是冲击质量，v是冲击速度。方程(1)中各组分的缩放因子是根据实验预设的比例k1、k2和k3获得的：
截面积：k1 = (ρgL2)/(EJ)
刚度：k2 = (EJ/(μL3))
质量：k3 = (mL)
速度：k3 = (v2/(ρgL2))
将方程(2)–(4)代入方程(1)得到该实验的实际力缩放因子：
(5)
方程(5)表明，在1:20比例模型中测得的峰值力大约是全尺寸原型值的1/1。

2.4.2. 通过全尺寸有限元仿真验证
尽管存在量纲缩放不匹配，但缩放实验仍然实现了它们的主要目的，即相对材料比较，前提是在模型尺度上获得的性能排名在全尺寸上也能得到验证。为此，构建了一个20米全尺寸交叉框架的有限元模型，并对相同的四种材料（Q420结构钢、45钢、6061-T6铝合金和EP玻璃纤维）进行了冲击仿真。得到的应力和变形图显示在图6中。图6. 在比例放大的总载荷下的应力情况：(a) 结构钢 (b) 铝合金; (c) 45钢; (d) 玻璃纤维。图中左上角的中文从上到下表示以下含义：B：显式动力学；等效应力；类型：等效应力；单位；时间；循环次数；最大值；最小值。全尺寸仿真结果展示的应力分布模式和变形特性与1:20比例模型中观察到的定性一致。重要的是，四种材料在峰值应力大小和能量吸收能力方面的相对顺序Q420钢 > 铝合金 > 45钢 > 玻璃纤维在两个尺度上完全保持一致。这种一致性证实了缩放测试能够捕捉到受材料影响的力学特性，并可以有效地指导材料选择。

3. 不同材料的交叉框架的冲击响应特性和理论分析
3.1. 交叉框架横梁的能量吸收理论计算
在研究交叉框架的冲击能量吸收时，能量计算是定量评估系统能量吸收性能的核心方法。通过比较系统的初始总能量与冲击后的残余能量（或直接测量耗散的能量），可以获得交叉框架材料吸收的能量，并计算能量吸收效率。线-交叉框架-阻尼器被视为一个完整的机械系统，忽略了空气阻力和支撑基座的能量损失。

3.1.1. 冲击过程中的能量转换
导体从高度h自由落下并撞击交叉框架的顶部横梁。忽略空气阻力，导体在下落过程中的重力势能转换为动能：
(6)
其中m是导体的质量，g是重力加速度。
当导体接触到横梁时，横梁会发生弹性变形，随后是弹塑性变形，动能转换为横梁的变形能。
为了便于理论推导，首先假设横梁表现出等效刚度k的线性弹性行为；弹塑性阶段将在材料本构描述中进一步考虑。
变形能可以表示为：
(7)
其中Δy是顶部横梁的垂直位移。
根据能量守恒，忽略冲击过程中的阻尼损失：
(8)
最大位移Δy可以如下获得：
(9)
最大张力Tmax为：
(10)
公式表明，最大张力与质量和重力加速度成正比。
等效刚度k取决于材料的几何形状和弹性模量E。
需要强调的是，这种弹性分析提供了初步描述；实际的结构行为包括屈服后的弹塑性变形，这将显著影响真实的刚度和能量吸收特性。

3.1.2. 材料能量吸收能力的表征
材料在冲击下吸收的能量可以通过应力-应变曲线下的面积来表征[14,21]。
在屈服极限以下的弹性阶段，单位体积的弹性能量密度为：
(11)
其中σy是屈服强度，E是弹性模量。
当应力超过屈服强度时，材料进入塑性阶段，塑性耗散成为主要的能量吸收机制。
单位体积的塑性耗散能量可以表示为：
(12)
其中εy是屈服应变，εu是极限应变，σf是流动应力。
结构吸收的总能量是材料体积V和平均应变能量密度（弹性+塑性）的乘积。
在相同的几何条件下，能量吸收能力取决于强度、刚度和塑性变形能力的综合特性。
弹性模量低的材料倾向于产生更大的变形，这有助于减小峰值冲击力；具有足够塑性变形能力的材料可以通过弹塑性行为实现更高的能量吸收。

3.2. 四种材料在相同冲击载荷下的应力响应和力特性
在相同的冲击条件下，落锤高度为1.5米（相当于大约5000 N的峰值冲击力），通过数值仿真得到了玻璃纤维（EP）、铝合金（6061-T6）、结构钢（Q420）和45钢的瞬态应力-时间曲线，如图7、图8、图9和图10所示。图7. 玻璃纤维（EP）应力-时间曲线。图8. 铝合金（6061-T6）应力-时间曲线。图9. 结构钢（Q420）应力-时间曲线。图10. 45钢应力-时间曲线。

3.2.1. 各材料的单应力响应分析
如图7所示，玻璃纤维（EP）的应力-时间曲线迅速上升，在大约3毫秒时达到峰值应力。峰值应力在四种材料中最高，接近材料的抗拉强度。峰值之后，应力迅速下降，衰减率很高。值得注意的是，尽管玻璃纤维表现出较高的峰值应力，但其最大冲击力明显低于金属材料。这主要是因为玻璃纤维的弹性模量远低于钢和铝合金。较低的弹性模量大大降低了等效结构刚度，导致更大的变形和更长的冲击作用时间。冲击力被有效缓冲和分散，从而显著降低了峰值冲击载荷。应力响应较强，但稳定性较差，这与冲击下的脆性失效特性一致。
如图8所示，6061-T6铝合金的应力曲线平稳上升，在大约3毫秒时达到峰值。峰值应力适中，略高于材料的屈服强度，显示出较小的弹性-塑性响应范围。峰值之后，应力缓慢下降，衰减过程平稳。铝合金具有中等刚度和良好的塑性；因此，应力增长均匀，冲击响应稳定，反映了金属材料的良好变形协调能力。
如图9所示，Q420结构钢的应力曲线缓慢上升，峰值应力在四种材料中最低。峰值出现在大约3毫秒，始终处于弹性阶段。峰值之后，应力缓慢下降，曲线稳定，波动较小。Q420具有较高的弹性模量和较高的屈服强度；因此，结构刚度大，在相同冲击下变形小，应力水平显著降低。
如图10所示，45钢的应力-时间曲线与Q420相似。应力稳定上升，在大约3毫秒时达到峰值。峰值略高于Q420，但仍处于较低水平，并且保持在弹性阶段。峰值后的衰减平稳，曲线波动小。由于45钢的弹性模量与Q420相同，强度水平也相似，其应力响应规律接近Q420，具有良好的稳定性和较低的应力幅度。

3.2.2. 应力响应的总体比较分析
在相同的冲击载荷下，四种材料的应力响应显示出由弹性模量、屈服强度和塑性决定的明显差异。就峰值应力而言，从高到低的顺序是：玻璃纤维（EP）> 铝合金（6061-T6）> 45钢 > 结构钢（Q420）。就响应稳定性而言，从好到差的顺序是：Q420结构钢 > 45钢 > 6061-T6铝合金 > 玻璃纤维（EP）。
弹性模量较高的材料（钢）具有更大的结构刚度，冲击下的变形较小，峰值应力较低，稳定性更好。铝合金具有中等刚度，同时考虑了轻量化和响应稳定性。玻璃纤维的刚度最低，导致应力幅度最高，衰减迅速，显示出明显的脆性材料特性。上述应力响应规律与能量吸收和冲击力的理论分析一致，可以为交叉框架结构的材料选择提供直接的机械依据。

3.3. 主要材料能量吸收效果的分析
在无阻尼设置下，实验收集了四种类型材料交叉框架在冲击载荷下的能量吸收数据。能量吸收与落锤高度之间的关系显示在图11中，不同落锤高度下的能量吸收率比较显示在图12中。从图中可以看出，所有材料的交叉框架的能量吸收随着落锤高度的增加而增加，反映了冲击动能与结构能量吸收之间的正相关关系。进一步比较显示，不同材料之间的能量吸收水平存在显著差异，能量吸收能力从高到低的排序如下：Q420结构钢、6061-T6铝合金、45钢和玻璃纤维EP。这种差异表明，材料本身的机械性能对冲击响应有显著影响，具有高强度和足够塑性变形的材料能够实现更稳定和高效的能量吸收。图11. 带有落高量的交叉框架横梁的能量变化曲线。图12. 不同材料制成的交叉框架横梁的能量吸收率与落高变化的关系。就四种材料的整体能量吸收特性而言，在无阻尼冲击条件下，这四种材料交叉框架横梁的能量吸收和机械响应特性存在显著差异。Q420结构钢具有最高的屈服强度（420 MPa）和最长的塑性应变范围（伸长率18%），在四种材料中具有最强的能量吸收能力。在5米的落高下，其吸收的能量可以占到冲击动能的很大比例，使其适用于需要高总能量耗散的重型场景。然而，其高模量也导致相对较大的峰值冲击力。6061-T6铝合金在能量吸收能力上排名第二，具有优异的比能量吸收（单位质量的能量吸收）、均匀且可控的变形以及稳定的能量吸收效率，适用于轻量化要求的应用。尽管其总能量吸收低于Q420钢，但其轻量化的优势使其成为重量敏感设计的首选。45钢在能量吸收能力上排名第三；其屈服后的硬化特性有助于塑性能量吸收，在常规工作条件下具有可接受的整体性能。玻璃纤维增强塑料（EP）作为一种脆性材料（伸长率仅为2.0%），具有最弱的材料能量吸收能力。它主要依靠弹性变形，无法通过塑性机制耗散能量。然而，在冲击响应中，其低弹性模量（22 GPa）显著降低了结构等效刚度，从而有效降低了峰值张力——这是结构刚度的效应，而不是材料能量吸收。峰值张力的降低是以较大的结构变形为代价的，超过弹性极限可能导致脆性断裂；因此，在主要结构应用中需要仔细评估。

为了进一步量化不同材料制成的交叉构件的能量吸收和机械响应特性，本研究计算了交叉构件相对于冲击动能的能量吸收百分比（能量吸收效率），并在不同落高下绘制了能量吸收比较曲线，如图11所示。分析表明，四种材料的能量吸收效率与能量吸收能力排名一致：Q420结构钢 > 6061-T6铝合金 > 45钢 > 玻璃纤维EP。其中，Q420结构钢的能量吸收效果最为显著，其能量吸收效率随落高的增加而稳步提高。6061-T6铝合金的能量吸收效率低于Q420钢但高于45钢，变化趋势平稳且稳定。45钢的能量吸收效率位居第三。玻璃纤维EP的能量吸收效率最低，甚至随着落高的增加而略有下降。此外，随着落高的增加，三种金属材料的能量吸收效率普遍提高，表明较大的冲击能量可以更充分地激活塑性耗散机制，不同材料之间的性能差距也随之扩大。

总之，材料的选择应明确设计目标：如果主要目标是总能量耗散，Q420结构钢是最优选择；如果目标是轻量化设计和稳定能量吸收，6061-T6铝合金具有最佳的整体性能；45钢可用于常规的非关键结构；虽然玻璃纤维可以显著降低峰值力，但其能量吸收能力有限，并且存在脆性断裂的风险，因此不适合高可靠性要求的无阻尼跨度框架的主要结构。

4. 仿真分析
为了验证上述结论，使用了ANSYS仿真软件进一步分析了不同材料的能量吸收效应和应力。在落高设定为1.5米、碰撞时间为0.005秒的情况下，四种材料交叉框架的能量吸收和应力分别如图13和图14所示。理论碰撞时间为0.001秒。从图13和图14中可以得到以下结果：使用玻璃纤维（环氧树脂EP）时，交叉框架的能量吸收为3.6 J，应力大小为45.72 MPa；如果使用铝合金（6061-T6），能量吸收为12.578 J，应力大小为36.49 MPa；如果选择Q420结构钢，能量吸收为13.012 J，应力大小为34.48 MPa；使用45钢时，能量吸收为9.0332 J，应力大小为41.68 MPa。图13. 四种材料的能量仿真：(a) 玻璃纤维；(b) 铝合金；(c) 结构钢；(d) 45钢。图14. 四种材料的应力图：(a) 结构钢；(b) 铝合金；(c) 45钢；(d) 玻璃纤维。图中左上角的中文文字从上到下表示以下含义：B或C或D：显式动态；等效应力（由于使用了不同版本的ANSYS，会出现BCD，但它们的含义相同）；类型：等效应力；单位；时间；循环次数；最大值；最小值。根据上述仿真数据，可以进一步比较和分析不同材料制成的交叉框架横梁的能量吸收效应和应力。在相同的1.5米落高冲击条件下，四种材料制成的横梁的能量吸收值和应力如下：玻璃纤维（EP），3.6 J，45.72 MPa；铝合金（6061-T6），12.578 J，36.49 MPa；结构钢（Q420），13.012 J，34.48 MPa；45钢，9.0332 J，41.68 MPa。仿真结果表明，能量吸收能力按降序排列为：Q420结构钢 > 铝合金 > 45钢 > 玻璃纤维。这一顺序与材料的固有机械性能高度一致：Q420结构钢具有最高的屈服强度和最大的塑性伸长率，能够通过足够的塑性变形实现高效的能量耗散；铝合金具有均匀的变形和出色的比能量吸收，表现出优异的整体能量吸收能力；45钢表现出稳定的弹塑性能量耗散能力，其能量吸收略低于Q420结构钢；玻璃纤维是一种脆性材料，主要通过弹性变形耗散能量，导致整体能量吸收能力最弱。上述仿真结果可以为无阻尼交叉框架主要结构的材料选择提供定量支持：当冲击能量耗散是核心目标时，优先选择Q420结构钢；在需要轻量化设计和能量吸收平衡的场景中，铝合金表现出最佳的综合性能；玻璃纤维的能量吸收能力有限，但由于其低模量，可以显著降低峰值张力，适用于有特定载荷控制要求的场合。

5. 结论
本文以无阻尼交叉框架为主要研究对象，选择了四种常用的工程材料——玻璃纤维（环氧树脂EP）、铝合金（6061-T6）、结构钢（Q420）和45钢——作为主要材料变量。通过多轮理论计算和数值仿真迭代确定了最终实验参数。制作了一个1:20比例的模型，并在导体冲击载荷下进行了测试，以研究不同材料交叉框架的冲击响应特性以及落高对其能量吸收和机械响应的影响。对四种材料之间的性能差异进行了定量分析，为无阻尼交叉框架主体的材料选择提供了实验支持和数据依据。主要结论如下：
(1) 在交叉框架的结构配置不变的情况下，四种材料在能量吸收和机械响应特性上存在显著差异，应从两个方面进行评估：
① 在峰值张力降低方面，以Q420结构钢为参考，玻璃纤维（EP）交叉框架显示出最显著的张力降低效果，这归因于其低弹性模量（22 GPa），从而有效降低了结构等效刚度，减轻了冲击载荷。然而，受材料各向异性的影响，在某些落高下其响应稳定性略有波动。铝合金（6061-T6）交叉框架的张力降低幅度略低于玻璃纤维，但其整体稳定性更好，在更宽的冲击能量范围内保持稳定的响应。Q420结构钢的张力降低幅度接近45钢；由于弹性模量和强度等级相似，这两种钢材表现出类似的应力响应规律和良好的稳定性。
② 在能量耗散（能量吸收效率）方面，顺序与张力降低相反：Q420结构钢具有最强的能量吸收能力，效率约为35%，这归因于其最高的屈服强度（420 MPa）和最长的塑性变形范围，能够通过塑性变形充分耗散冲击能量。铝合金排名第二，能量吸收效率约为26%，并且具有优异的比能量吸收（单位质量的能量吸收），适用于轻量化要求的应用。45钢的能量吸收效率约为22%。作为典型的脆性材料（伸长率仅为2.0%），玻璃纤维（EP）的能量吸收能力最弱，效率仅为6%，因为它主要依靠弹性变形，无法通过塑性机制耗散能量。上述结果表明，峰值张力控制和能量耗散是两个不同的性能目标：玻璃纤维在载荷降低方面表现优异，而钢材在能量吸收方面表现最佳。在工程应用中应根据具体设计要求进行权衡选择。
(2) 随着导体落高的增加（0.5–5.0米），四种类型交叉框架的拉力持续上升。对于金属材料（结构钢、45钢和铝合金），能量吸收效率随落高的增加而提高，表明较大的冲击能量可以更充分地激活金属的塑性能量耗散机制，不同材料之间的能量吸收性能差距进一步扩大。相比之下，玻璃纤维的能量吸收效率随着高度的增加而略有下降，反映了脆性材料的固有特性：一旦超过弹性极限，它容易受损且无法持续吸收能量[22]。
(3) 以Q420结构钢交叉框架为基准，通过仿真确定导体冲击的最大落高约为5米。测试落高范围为0.5–5.0米，以0.5米的增量逐步加载。验证结果表明，在这个高度范围内，四种材料制成的交叉框架都具有足够的强度来承受导体的冲击张力，而不会超过其极限承载能力。这可以为后续阻尼交叉框架的冲击测试参数设置提供参考。
(4) 应强调的是，本研究中进行的1:20比例模型测试本质上是不同材料之间的比较研究。报告的冲击力和吸收能量的定量值适用于对四种材料相对性能的排名和揭示潜在趋势，但不能通过简单的比例关系直接外推到全尺寸工程设计。严重的重力变形和潜在的应变率效应[23]是正常重力下缩小比例冲击测试的固有限制。未来的工作应致力于进行选择性全尺寸破坏性试验以进行验证，或开发结合速率依赖性材料本构模型的多尺度有限元模拟，从而建立一个更为可靠的跨尺度预测框架。在未来的电力工程项目中，合理选择交叉臂的主要材料对于实现设计目标至关重要。如果主要目标是控制交叉臂的张力并减轻冲击载荷，那么玻璃纤维和铝合金是优选材料；如果核心目标是耗散冲击能量并确保结构安全，那么钢材（尤其是Q420钢）是最佳选择；当同时需要轻量化和能量吸收时，铝合金则是首选材料。关于不同材料制成的交叉框架的能量吸收和力学响应特性的研究成果可以为阻尼交叉框架主要材料的选择提供实验支持和理论依据。