本文Effect of Prestress on Impact Performance of a Fully-Clamped Metallic Beam: Analytical Modeling and Numerical Simulation 被 TAML（力学快报）选为封面论文！
论文第一作者为中国人民解放军火箭军工程大学任建伟，南京航空航天大学卢天健教授为通讯作者。
研究亮点
采用弦-铰简化模型(SSHM)预测、量化并分析了预拉伸对固支金属梁的冲击变形。
适度预拉伸能可提升金属梁的抗冲击性能，但该规律不满足“越拉越好”。
对于固支金属梁而言，小变形阶段主要靠弯曲吸能，大变形阶段则更多依赖膜拉伸来吸能。
研究背景
在车辆防护、装备抗冲击、结构抗爆等场景中，金属构件可能在制造、安装、运输过程中，已经产生了预变形和预应力，它们往往不是在“完全初始”的状态下工作。换句话说，真正进入服役状态时，结构常常已经处于“预拉伸”状态。这种预应力会让结构更抗冲击，还是更脆弱？过去很多研究更关注最终破坏形貌，但对于预应力如何改变金属构件的变形过程、能量吸收方式以及结构回弹，还缺少系统解释。为此，本文采用理论预测和模拟验证等方法来回答上述核心问题。
研究进展
针对两端固支的金属梁，分别考虑初始应力为零和非零两种工况下的结构冲击响应。研究人员先沿梁的轴向对它施加预拉伸，再让冲击体从中间位置撞击梁，观察它的变形和回弹。为了把这个过程讲清楚，作者采用了“两条腿走路”的方法（见图1）。
一方面，建立了解析模型，把结构响应拆分为“边界处的弯曲塑性铰”和“中间区域的拉伸膜力”两部分。
另一方面，在ABAQUS中采用隐式–显式双求解器耦合仿真，先算出预拉伸带来的初始应力状态，再进行后续冲击分析。
图1 (A) 固支金属梁的简化弦铰模型示意图，(B) 隐-显联合仿真流程图
文章给出几个很直观的结论。首先，在适中的预拉伸范围内，梁在冲击下的峰值挠度和最终残余挠度都会减小，说明结构更“扛撞”。进一步分析发现，预拉伸提高了梁内的轴向应力水平，使其在冲击过程中能够通过更强的弯矩和膜力吸收更多能量。不过，预拉伸的增强作用存在上限。预拉得越大，梁虽然初始应力更高，但几何尺寸也在变化：跨度变长、截面变薄。当前者带来的增益小于后者带来的削弱时，抗冲击效果就会开始下降。也就是说，预拉伸并不是越大越好，而是存在一个“合适区间”。
图2预拉伸应力对固支金属梁轴向应力 (A) 轴向分布云图以及 (B) 相对厚度分布的影响
其次，吸能机制并不是一成不变的。小位移阶段，弯曲作用更关键；随着挠度不断增大，膜力作用越来越突出。特别是当跨中挠度超过梁厚之后，膜力吸能开始占主导。这个结论很重要，因为它说明：真正决定大变形抗冲击能力的，往往不是单纯“抗弯强不强”，而是结构能否在后期充分调动膜力来抵御载荷。此外，本研究还注意到一个很有工程意义的现象：预拉伸会让冲击后的回弹更明显。对于强调尺寸精度、间隙安全和重复服役能力的防护构件来说，这一点不能忽视。
图3 (A) 预拉伸对金属结构膜拉伸性能的影响，(B) 膜拉伸在整体结构变形吸能中的贡献
研究结论
针对固支金属结构冲击响应的复杂力学过程，弦铰简化模型兼具技术难度低和预测精度高等特点，极具工程应用潜力。
适度预拉伸可明显提高金属梁的抗冲击能力，但这种增强并不是无限制的：当预拉伸过大时，梁被拉长、变薄，几何削弱效应会抵消甚至超过应力增益。另外，预拉伸会增大固支金属的结构回弹。
金属冲击变形过程中，弯曲和膜拉伸的吸能贡献并非恒定。当跨中挠度超过梁厚后，膜拉伸吸能占据主动作用，这为结构防护设计提供了思路。
本研究获得国家自然科学基金（项目号12502178）、火箭军工程大学青年基金（项目号2024QN-B018）和基础前沿创新项目（项目号2025-QYCX-MS-03-024）资助支持。
