泡沫铝填充金属薄壁圆管的实验和理论研究

利用实验研究与理论分析相结合的方法研究了泡沫铝填充金属薄壁圆管在准静态侧向压缩下的力学响应.基于能量法,建立了泡沫铝填充圆管和金属薄壁圆管在侧向均匀压缩时的瞬时侧向力、平均侧向力和总吸能的理论公式.对泡沫铝填充管与金属薄壁圆管进行了准静态侧向压缩实验,并且将实验结果与理论公式进行了对比,结果表明理论预测值与实验结果吻合较好.基于建立的理论分析模型,研究了管的几何尺寸以及泡沫铝材料的密度对结构的瞬时侧向力、平均侧向力、总吸能和比吸能的影响.结果表明,在准静态侧向压缩下,泡沫铝填充管的总吸能大于对应的金属薄壁圆管;泡沫铝填充管的侧向压缩力和总吸能随管长度、壁厚和直径的增加而增大;当填充材料泡沫铝密度增大时,填充管的总吸能与侧向压缩力均增加.     

薄壁管及其泡沫金属填充结构耐撞性的实验研究

对两种AA 6063T6铝合金薄壁空管(方/圆管)结构以及填充泡沫铝的5种不同几何截面的薄壁夹芯管(单方/圆管填充,双方/圆管填充,双方管四角填充结构)分别进行了准静态轴向压缩实验,研究了各种薄壁结构的变形模式和吸能性能,比较了反映不同结构耐撞性的各种参数,如比能量吸收和能量吸收效率因子等。同时,研究了各种填充结构的几何参数对结构耐撞性能的影响,发现填充结构内管的尺寸对结构的耐撞性影响显著。研究结果显示,圆管类型的结构平均压垮载荷、比质量能量吸收、单位行程能量吸收以及能量吸收效率因子都较方管类型结构高。泡沫填充单/双圆管结构由于其较高的压垮力效率和能量吸收效率,能够较平稳高效地吸能,作为耐撞性结构元件具有很大的优势。     

低速冲击下泡沫金属填充薄壁圆管的弯曲行为

采用实验方法研究了低速冲击下泡沫金属填充薄壁圆管的弯曲行为,详细说明了实验方法和原 理。通过与准静态实验结果的比较发现,冲击加载使泡沫金属填充圆管跨中截面的局部压入变形增大,跨中 截面高度变小,结构下缘拉裂破坏延迟。由于结构的惯性效应,锤头总冲击力高于准静态加载时的对应值。     

泡沫铝铜合金静态压缩力学行为和吸能性能的实验研究

通过静态压缩实验研究一种新型闭孔泡沫铝材料泡沫铝铜合金的静态压缩力学行为和吸能性能。对实验得到的一定密度范围内的材料的弹性模量E和平台应力pl关于相对密度进行曲线拟合,发现将Gibson等给出的开孔泡沫理论公式中的幂次常数修正为由实验确定的常数,可以给出一定密度范围的闭孔泡沫铝铜合金材料的弹性模量和平台应力与相对密度之间关系的一个较好的估计。采用比能-应力或比能-应变曲线,可以对不同密度的泡沫铝铜合金材料的吸能情况进行较为直观的比较和分析。该曲线对工程设计具有较好的指导意义。     

横向冲击载荷下不同约束泡沫铝夹芯圆管的动态响应

以泡沫铝夹芯圆管为研究对象,采用数值模拟研究了横向冲击载荷作用下4种不同约束夹芯圆管的动态响应。研究了夹芯圆管的几何参数、冲击速度和芯层泡沫铝相对密度对夹芯圆管力学行为的影响,对比分析了不同约束条件对泡沫铝夹芯圆管变形模式和吸能性能的影响。结果表明:随着内管直径的减小、冲击速度的增大和芯层泡沫铝相对密度的增大,泡沫铝夹芯圆管的比吸能增大;内管壁厚的增加使无约束和倾斜约束下夹芯圆管的比吸能增大,对侧壁约束和组合约束下夹芯圆管的吸能影响不明显;采用一定的外部约束条件是提高泡沫铝夹芯圆管吸能性能的一种可行的方法。     

“V型”约束下泡沫铝夹芯圆管的准静态横向压缩性能研究

论文对受“V型”约束泡沫铝夹芯管的准静态横压性能进行了实验研究,观察到三种失效模式包括整体屈服、芯材剪切和局部凹陷.分析了泡沫铝夹芯管的几何参数和横向约束夹角的角度对其失效模式和承载与吸能能力的影响.结果表明,泡沫铝芯材的厚度对三种模式的竞争具有重要影响;在准静态横向压缩下,泡沫铝夹芯管的承载与吸能能力大于对应的空管;泡沫铝夹芯管的承载与吸能能力随着外管直径的增加而增加,随着内管直径的增加而减小;“V型”约束夹角的角度越大,泡沫铝夹芯管的承载与吸能能力也越高.     

聚乙烯泡沫单填充纸瓦楞管的轴向跌落冲击缓冲吸能特性

利用聚乙烯闭孔泡沫单填充纸瓦楞管开展轴向跌落冲击试验，对比分析了结构参数和冲击参数对其缓冲吸能特性参数（比吸能、行程利用率、压缩力效率、比总体效率）的影响。结果表明，X向单填充管的动态缓冲吸能特性优于Y向单填充管，而静态缓冲吸能特性差于Y向单填充管。正四边形单填充管的动态缓冲吸能特性优于正五、六边形单填充管，X向正四边形单填充管的比吸能相较于正五、六边形管分别提高了114.4%和182.3%。对于跌落冲击压缩，单填充管的比吸能、行程利用率、比总体效率随着管长比的增大而减小，管长比为1.4的X向单填充管的比吸能相较于管长比为2.2和3.0的单填充管分别增加了45.8%和117.9%，而压缩力效率随着管长比的增大而增大。随着跌落冲击质量或冲击能量的增加，比吸能、行程利用率、压缩力效率和比总体效率皆呈增大趋势，冲击质量对X向单填充管的影响较大，而冲击速度则对Y向单填充管的影响较大。     

泡沫铝填充薄壁圆管的三点弯曲实验的数值模拟

泡沫金属填充薄壁结构的应用日趋广泛,建立合理的数值计算模型对结构设计和工程应用非常重要.该文通过对泡沫铝填充薄壁铝合金圆管的三点弯曲实验的数值模拟,研究了它的力学行为.采用ABAQUS软件,建立了空管和泡沫铝全填充管的有限元模型,并对这两种结构在三点弯曲下的力学行为进行了数值模拟,所得结果与实验结果符合得较好.通过数值模拟分析了结构的承载机理和不同压头直径对结构承载能力的影响.此外,还研究了泡沫铝部分填充圆管的三点弯曲行为,分析了不同填充长度对结构承载能力的影响.     

开孔泡沫铝填充圆管的准静态压缩行为

采用开孔结构泡沫铝填充到薄壁圆形铝管中,制备出开孔泡沫铝夹芯铝管,并进行压缩实验,研究了这种结构材料的压缩力学行为和变形特征以及材料的结构特征参数对压缩力学性能和能量吸收特性的影响。在压缩过程中,泡沫铝夹芯铝管的载荷-位移曲线呈现出弹性段、波动的屈服平台段和压实段3个阶段特征;铝管的径厚比及泡沫铝本身的参数和强度对填充管的屈服强度、平均压溃力和吸能特性均有着非常显著的影响。填充泡沫铝后铝管的压缩变形方式发生改变,管壁只发生向外翻折变形,产生的环状褶皱减少。     

金属泡沫填充薄壁圆管的轴压载荷-位移关系

将泡沫填充圆管的能量吸收视为泡沫与圆管两者之和, 基于包含偏心率效应的直链塑性铰模型和Reddy等对Alexander模型的改进结果, 对圆管的变形模式进行了更改, 以此来反映管壁与金属泡沫之间的相互作用效应, 导出了金属泡沫填充圆管的静、动态轴向平均压溃力的表达式. 通过理论预测与实验的对比, 发现理论预测偏低, 但与实验曲线的趋势保持一致, 比空管与金属泡沫的平均载荷之和略高一些. 此外, 泡沫填充圆管的平均压溃力随填充泡沫平台应力的增大而呈线性增加, 与已有研究结果及实际情况一致, 由此表明了模型的合理性.      

Aluminum foam-filled extrusions subjected to oblique loading: experimental and numerical study

The behavior of empty and foam-filled square thin-walled aluminum columns in alloy AA6060 subjected to quasi-static oblique loading was examined. Previous studies have shown that by introducing a load angle, the energy absorption decreases drastically compared to axial loading. One of the main objectives of the present investigation was to study the effect of introducing aluminum foam filler on the energy absorption. The square columns were clamped at one end and oblique load conditions were realized at the other end by applying a force with different angles to the centerline of the column. An experimental program was carried out where the main parameters were load angle, foam density and heat treatment of the extrusion material. Additionally, numerical analyses of the experiments were performed, mainly to verify a numerical model of the obliquely loaded foam-filled columns. The foam was modeled with the foam model of Deshpande and Fleck, together with a simple fracture criterion, which previously has been implemented as a user subroutine in LS-DYNA. The study shows that high-density aluminum foam filler increases the energy absorption considerably, but the specific energy absorption is lowered compared to the empty cross sections. Furthermore, the numerical analyses were able to predict the experimental results with reasonable accuracy.     

多边形截面薄壁管撕裂卷曲吸能研究

对薄壁管在准静态载荷下的卷曲撕裂进行了理论分析,并采用显示有限元方法进行了数值模拟。通过分析薄壁管的撕裂能、塑性变形能和摩擦能,讨论了冲头的锥形角、壁厚以及边数等因素对结构吸能的影响。     

弧形折纸模式薄壁结构的压缩变形与能量吸收

选用PolyMaxTM PLA为试样材料，利用3D打印技术制备了弧形折纸薄壁管件。基于准静态轴向压缩实验，运用ABAQUS软件对弧形折纸薄壁管件轴向准静态压缩和冲击行为进行了有限元计算，探讨了其变形模式和能量吸收特性，分析了预折角和薄壁单胞管件阵列数量对其压溃模式及能量吸收的影响。有限元计算结果与实验结果吻合较好。薄壁管件的变形过程可分为4个阶段:初始压溃阶段、预折角塑性旋转阶段、腹板塑性屈曲阶段和完全压溃密实化阶段。弧形折痕的引入能够有效地降低薄壁管件在压缩过程中的初始压溃载荷峰值，减小冲击载荷的振荡幅值。对比了高度相等、质量近似相等的方管与弧形折纸薄壁管在不同冲击速度下的压缩变形与能量吸收。在准静态压缩作用下，对于单胞模型，仅有折痕倾角为70°的模型的比吸能优于方管；对于多胞管件阵列模型，方管的比吸能均优于折纸管。折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管，其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。在动态冲击压缩下，阵列方管的比吸能均优于阵列折纸管。当冲击速度为10 m/s时，折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管，其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。当冲击速度为20 m/s时，仅有折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率优于方管。     

BENDING BEHAVIOR OF EMPTY AND FOAM-FILLED ALUMINUM TUBES WITH DIFFERENT CROSS-SECTIONS

In this paper, the energy absorption mechanism of empty and foam-filled aluminum tubes with different cross-sections (circular, square and elliptic) under bending load is investigated numerically. The load-displacement curves of the present simulations are in very good agreement with those of published experimental data. Here, the existing analytical formulations are reviewed and compared with experimental results. In addition, the effects of different cross-sections and wall thicknesses on the energy absorption capacity and specific energy absorption of these tubes are fully investigated. The results indicate that the energy absorption of an elliptic foam-filled tube with 1.5 mm and 2 mm thicknesses increases about 45% and 73% in comparison with a square one, respectively.     

A novel self-locked energy absorbing system

Metallic thin-walled round tubes are widely used as energy absorption elements. However, lateral splash of the round tubes under impact loadings reduces the energy absorption efficiency and may cause secondary damage. Therefore, it is necessary to assemble and fasten round tubes together by boundary constraints and/or fasteners between tubes, which increases the time and labor cost and affects the mechanical performance of round tubes. In an effort to break through this limitation, a novel self-locked energy-absorbing system has been proposed in this paper. The proposed system is made up of thin-walled tubes with dumbbell-shaped cross section, which are specially designed to interlock with each other and thus provide lateral constraint under impact loadings. Both finite element simulations and impact experiment demonstrated that without boundary constraints or fasteners between tubes, the proposed self-locked energy-absorbing system can still effectively attenuate impact loads while the round tube systems fail to carry load due to the lateral splashing of tubes. Furthermore, the geometric design for a single dumbbell-shaped tube and the stacking arrangement for the system are discussed, and a general guideline on the structural design of the proposed self-locked energy absorbing system is provided.     

泡沫铝夹芯双方管结构准静态轴压性能的实验研究

对几种泡沫铝夹芯方管结构的准静态轴压性能进行了实验研究。结果表明,较空管及泡沫铝夹芯单管结构,泡沫铝夹芯双管结构的承载能力及能量吸收效率明显得到增强。双管夹芯结构中外管撕裂模式的结构行程利用率和能量吸收效率高于相应的外管周期折叠模式。而泡沫铝四角填充方式提高了双管夹芯结构相同变形模式下的能量吸收效率和结构变形的稳定性。同时研究了内管管壁及材料强度对泡沫铝夹芯双管结构的影响。随着内管壁厚增大,双管夹芯结构的能量吸收效率提高,而内管材料强度影响不明显。