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。     

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。     

闭孔泡沫铝泊松比及三轴压缩变形模式

在闭孔泡沫铝的唯象本构模型中, 泊松比是一个非常关键的参数, 为了探究闭孔泡沫铝泊松比变化规律研究结果存在分歧的原因, 认识闭孔泡沫铝泊松比变化规律中特征点的物理意义, 采用数值模拟方法, 建立了闭孔泡沫铝的3D-Voronoi模型及2D-Voronoi模型, 对模型进行侧面位移耦合单轴压缩边界条件下的仿真分析; 基于闭孔泡沫铝本构模型的唯象特性, 对闭孔泡沫铝变形模式的研究同样十分重要, 为明确其三轴压缩下的变形模式, 对闭孔泡沫铝的3D-Voronoi模型进行侧面位移受限轴向压缩边界条件下的仿真分析. 研究结果表明, 常规壳单元接触中的厚度减薄特性是闭孔泡沫铝泊松比变化规律的研究结论存在分歧的原因, 但厚度减薄不影响泡沫铝模型致密前胞孔结构的变形模式; 闭孔泡沫铝泊松比的准确变化规律为“增高?降低?再增高”的“S”型曲线, 并且, 曲线极大值对应闭孔泡沫铝吸能效率的增速下降点; 等比压缩应力状态下, 闭孔泡沫铝存在四种侧面变形模式, 分别为“(短期)压缩变形→膨胀变形”、“压缩变形→膨胀变形→压缩变形→膨胀变形”、“压缩变形→(短期)膨胀变形”及“压缩变形”.      

泡沫铝缓冲吸能评估及其特性

对泡沫铝缓冲吸能特性的评估方法进行了比较分析 ,明确了吸能效率曲线与理想吸能效率曲线的应用范围 ,为缓冲器的选材与设计提供了依据。同时还对四种密度的泡沫铝在动静态下的缓冲吸能特性进行了评估 ,研究表明 ,泡沫铝是一种优良的吸能材料。     

数字图像相关方法在闭孔泡沫铝压缩试验中的应用

为了了解相对密度与胞孔结构对闭孔泡沫铝力学性能的影响,本文采用放大成像及数字图像相关技术对两种不同密度的泡沫纯铝试样进行了实验研究.利用数字图像相关方法对泡沫纯铝变形前后的图像进行相关计算,获得了弹性范围内静态压缩情况下闭孔泡沫铝材料表面的全场变形及局部孔结构的变形,同时根据试验结果计算了试件的名义弹性模量.实验结果表明泡沫铝整体孔结构的变形与泡沫金属材料相对密度有关,而单个孔结构的变形主要与孔壁面光滑程度和皱褶有关.实验结果还表明图像相关方法能够有效地应用于闭孔泡沫金属的力学性测量和评估的研究.     

闭孔泡沫铝的塑性泊松比

在表征闭孔泡沫铝的力学性能中,塑性泊松比是较为重要的参数之一。本文应用Kelvin十四面体模型构建出不同相对密度的闭孔泡沫铝三维细观模型并采用LS-DYNA对所得细观模型进行单轴准静态压缩计算。数值模拟分析发现,随着轴向应变的增加,泡沫铝泊松比-轴向应变曲线呈倒S形,存在峰值和极小值,曲线变化规律与泡沫铝胞孔的变形有密切关系。根据泊松比-轴向应变曲线与胞孔变形之间的关系,给出了平均塑性泊松比的定义。计算结果显示,随着相对密度的提高,闭孔泡沫铝的平均塑性泊松比增大。当闭孔泡沫铝的相对密度低于0.1时,其平均塑性泊松比接近于零,计算中可以忽略;当闭孔泡沫铝相对密 度大于0.1时,其平均塑性泊松比随相对密度的增加而呈线性从0.17增加到0.5     

球体开孔泡沫铝准静态压缩性能实验研究

本文通过实验研究了球体开孔泡沫铝的准静态压缩性能。实验过程中发现球体开孔泡沫铝变形具有明显的"三段性"特征,即弹性阶段、屈服阶段和密实阶段。针对不同厚度的球体开孔泡沫铝板研究了尺寸效应对其屈服强度的影响。根据泡沫铝的经验型本构关系,给出了不同厚度下球体开孔泡沫铝的经验本构方程,并与实验结果对比。结果表明,所得到的经验型本构方程具有很好的适用性,为球体开孔泡沫铝的应用提供了实验依据。     

聚氨酯泡沫铝动力学性能实验及本构模型研究

为了改进泡沫铝的动态吸能性能,将聚氨酯填充到开孔泡沫铝中制备成复合材料。通过霍普金森杆(SHPB)冲击实验,研究包含相对密度、应变、应变率和聚氨酯含量等影响因素的聚氨酯泡沫铝材料的动力学性能,并建立了动态本构模型。实验结果表明,聚氨酯泡沫铝的动态弹性模量与相对密度无关,屈服强度和流变应力与应变率和泡沫铝的相对密度成正比;聚氨酯泡沫铝的屈服强度与泡沫聚氨酯质量增加近似呈线性关系。所建立的动态本构模型在相对密度和应变率在一定的变化范围内与实验数据吻合较好。     

泡沫铝率相关性能的有限元模拟

构建了三维随机分布球形泡孔模型,模拟开、闭孔混合结构泡沫铝材料的微细观结构,并通过有限元方法计算了10~104 s-1应变率范围内、孔隙率35%~65%泡沫铝材料的率相关性以及应变率和相对密度变化对泡沫铝动态压缩力学性能的影响。研究表明:中、低应变率下,泡沫铝材料率相关性能主要取决于基体材料的应变率敏感性;高应变率下,泡沫铝材料率相关性能受基体材料的应变率敏感性以及微结构惯性联合作用,且相对密度较低泡沫铝材料的微结构惯性效应更显著。     

典型无序结构芯体夹层梁的振动特性试验分析

通过悬臂梁模态试验研究了典型无序芯体(纤维毡、闭孔泡沫铝以及开孔泡沫铝)夹层结构的振动特性,并与夹层结构所对应等质量钢板进行振动特性对比分析。研究结果表明：无序芯体夹层结构相较于对应等质量钢板均有着更高的前三阶固有频率和阻尼比;等质量钢梁任一横截面上各点具有相同振动特性,而夹层结构任一横截面上各点振动特性受芯体结构影响较大。     

聚氨酯泡沫铝复合结构抗爆吸能试验及数值模拟分析

通过对聚氨酯泡沫铝和混凝土组成的复合结构进行接触爆炸试验,探讨了聚氨酯泡沫铝的吸能性能,并进行数值模拟分析。结果显示:聚氨酯泡沫铝的吸能性能明显优于泡沫铝,吸能层厚度对吸能效果影响很大,多层结构的聚氨酯泡沫铝吸能性能对比厚度一致的单层吸能层结构没有明显的改善;在保证了比较合理的吸能层厚度后,防护结构的每一层材料层存在着一个最佳的厚度组合来保证复合层优良的抗爆性能。     

高孔隙率闭孔泡沫铝的低应变率压缩行为

通过落锤冲击实验研究高孔隙率闭孔泡沫铝的动态压缩性能及抗低速冲击特性, 同时通过高速摄影仪观察试件的动态压缩行为, 并记录落锤冲击速度的衰减过程. 结果表明, 高孔隙率闭孔泡沫铝的抗冲击缓冲效果明显, 且在低速冲击条件下其变形特征与准静态变形类似. 采用有限元方法分析了落锤和泡沫中应力的分布特点以及表面摩擦系数对应力分布的影响. 由于摩擦力阻碍了接触面处泡沫的横向位移, 致使其压缩外形呈``鼓形'; 在低速冲击时, 应力在泡沫铝试件内部的传播周期远小于冲击的缓冲时间, 应力波现象并不明显, 应力的变化与准静态压缩时相似. 在考虑接触面上摩擦力的基础上, 通过第2类Lagrange方程建立了落锤-泡沫材料的碰撞解析模型, 将预测的落锤冲击速度的衰减过程分别与实验和有限元结果进行比较, 取得了较为一致的结论, 并进一步讨论了不同冲击速度和材料参数对冲击过程的影响.      

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。     

泡沫金属的微惯性效应和动态塑性泊松比

采用三维Voronoi技术和显式有限元方法来研究闭孔和开孔两种泡沫金属的动态塑性泊松比问题和微惯性效应。细观数值模拟的结果表明:塑性泊松比随着轴向应变的增加而下降,塑性泊松比的峰值随着冲击速度的增加而下降;相对密度增加时,泡沫金属塑性泊松比增加;微惯性对平台应力的影响不大。该数值模拟结果能够解释侧向约束情况下闭孔泡沫金属的压溃应力随着加载速率的提高而下降的实验现象。     

闭孔泡沫铝低速冲击防护的临界条件与优化设计

建立了高孔隙率闭孔泡沫铝抗低速撞击的分析模型,通过落重冲击试验验证了模型预测的准确性;采用所建立的模型,计算了闭孔泡沫铝作为大质量结构抗低速冲击构件的临界冲击速度,研究了不同冲击条件下结构响应的最小加速度和临界加速度。结果表明,闭孔泡沫铝适合作为大质量结构的低速冲击防护材料：当撞击速度低于临界冲击速度时,泡沫铝的作用应力不会超过其平台压缩应力,具有高孔隙率的泡沫铝甚至可使冲击响应加速度大幅降低,具有优良的防护效果;当撞击速度超过相应条件下的临界速度时,由于泡沫铝压缩密实阶段的应力增强作用,不仅使其作用应力迅速增大（为平台应力的5～15倍）,而且使冲击响应加速度迅速增加甚至超过1000g,从而对结构的安全防护构成威胁。最后,讨论了冲击质量比、泡沫铝孔隙率、泡沫几何尺寸等冲击参数对临界冲击速度和冲击响应加速度的影响。     

泡沫铝填充金属薄壁圆管侧向压缩的实验和理论

利用实验研究与理论分析相结合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。     

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.     

“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.     

球形孔洞泡沫铝力学行为的SPH分析

分别基于体心立方元胞模型和随机孔洞模型建立了泡沫铝SPH模型.采用SPH方法分析了准静态加载条件下泡沫铝的单轴压缩力学性能.最大应变达70%.SPH计算所得应力-应变曲线表现出明显的弹性、平台和压实三段.分析了泡沫铝的微观变形机理,结果表明规则模型和随机模型均呈现出明显的局部塑性变形带,其中随机泡孔模型的孔壁变形以弯曲为主,局部塑性变形带表现更为明显.本文研究结果同时还说明了采用SPH方法研究泡沫材料力学行为的可行性与适应性.     

高速列车吸能结构设计和耐撞性分析

建立了高速列车头车的有限元模型,运用有限元软件LS-DYNA模拟了头车碰撞刚性墙的冲击过程。在碰撞发生时,原有设计方案的牵引梁主体的变形以整体屈曲为主,不利于缓冲吸能。在对原设计的耐撞性分析的基础上,建议对原有牵引梁结构加以改进,并在前端增加两组不同尺寸和厚度的带圆角的方管作为缓冲吸能管,考虑了在缓冲管中填充泡沫铝与否,形成了4种设计方案。数值模拟结果表明,与原设计方案相比,新方案的整个头车的吸能量有大幅度提高,刚性墙反力的峰值也有一定程度的降低,采用大的圆角半径的厚管并填充泡沫铝的方案的改进效果最明显。