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。     

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。     

“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.     

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。     

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.     

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。     

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.      

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。     

泡沫铝填充吸能盒的轴向压缩性能实验研究

本文提出了一种外方内圆双管四角填充泡沫铝的新型吸能盒设计,开展了准静态轴压实验研究,分析了新型填充结构中各组分相互作用的影响,并探讨了胶合作用对填充吸能盒力学性能的影响.结果 表明,新型填充吸能盒的轴压力平稳程度、总吸能和比吸能都较无填充吸能盒更优.胶合作用除略微增大吸能盒载荷波动度外,对其余性能均有优化作用.胶合新型...     

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。     

泡沫铝材料准静态本构关系的理论和实验研究

应用Chen和Lu提出的适用于可压缩弹塑性固体的唯象本构模型框架，建立了泡沫铝的准静态本构模型，推导了三维等比例加载和环向受约束轴向加载下的宏观应力-应变曲线. 对两种泡沫铝材料(开孔和闭孔)进行了4类准静态试验，即单轴压缩、三维静水压缩、三维等比例压缩和侧向受约束轴向压缩实验. 利用单轴压缩和三维静水压缩的实验结果得到了泡沫铝材料的本构参数曲线，并由此预测它在三维等比例压缩和侧向受约束轴向压缩情况下的响应. 理论预测与相应实验结果相比较，三维等比例压缩的结果比较吻合，但与侧向受约束轴向压缩的结果却相差很大. 分析表明，理论预测与侧向受约束轴向压缩实验结果的偏差是由于泡沫铝试件与约束筒之间的摩擦造成的. 研究结果说明, Chen-Lu模型能够很好地描述泡沫铝材料在压缩占主导的应力状态下的响应.     

泡沫铝夹芯双圆管结构的准静态轴向压缩性能研究

对泡沫铝夹芯双圆管结构的准静态轴压性能进行了实验研究,发现该新型结构的比质量吸能效率远远高于传统的泡沫铝夹芯单管,并接近甚至超过相应的空管结构;其内外管变形模式均与空管不同且受内外管组合的影响.本文讨论了它的变形机理,分析了外管壁厚对其压缩行为的影响,发现增大外管壁厚有利于增大结构的行程利用率,提高结构的比质量能量吸收...     

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。     

内爆炸载荷下泡沫铝夹芯圆管塑性动力响应及能量耗散机理

通过实验、理论和数值模拟研究泡沫铝夹芯空心圆管在内爆载荷作用下的动态变形模式及吸能机制.采用不同质量的球形乳化炸药进行爆炸试验.结构轴向变形分为3个区:大塑性变形区、绕塑性铰的刚性旋转区和无变形区.在考虑环向膜力和轴向弯矩的情况下,提出内爆作用下夹芯圆管动态响应的显式计算方法.通过建立基于三维Voronoi算法的泡沫芯有限元模型,探索结构能量耗散机制.通过实验观测到的泡沫铝夹芯空心圆管在内爆载荷作用下的变形机制,结合内外管的弯曲变形及芯层压缩,给出了结构在响应过程中能量吸收的理论解.以结构比吸能和外管中心挠度为控制参量求得夹芯圆管的最优解集.进一步研究炸药质量、内外管直径、壁厚及芯层轴向梯度排列方式对结构动态变形模式和吸能机制的影响.结果表明:内管壁厚对外管中心线的挠度影响较大,而芯层厚度和外管壁厚的影响较小;如果夹芯圆管的轴向梯度结构从管轴向对称面到两端边缘呈对称递减分布时,具有较好的抗爆性;数值计算和实验测试结果均与理论预测吻合.     

内爆炸载荷下梯度泡沫铝夹芯管的动态响应

基于3D-Voronoi技术构建了泡沫铝芯层的三维细观有限元模型,对梯度泡沫铝夹芯管在内爆炸载荷下的动态响应进行了数值模拟。分析讨论了夹芯管结构内外管的壁厚、泡沫芯层的相对密度、芯层梯度分布等参数对夹芯管结构的抗爆性能与吸能性能的影响,并与无芯层的双层圆管进行了对比。结果表明:泡沫材料的相对密度可通过改变泡沫胞元大小和胞元壁厚进行调控,利用两种方式构建的夹芯管计算结果一致;保持内、外圆管总质量不变,增大内管壁厚可以有效减小外管的塑性变形,但会影响泡沫芯层的能量耗散;泡沫芯层的填充可以有效降低内管的塑性变形,正梯度泡沫铝夹芯管的抗爆性能优于均匀泡沫及负梯度泡沫夹芯管。     

新型截面耐撞梁及其冲击吸能性能分析

提出了一种类似泡沫填充结构的轻质高吸能内部加筋薄壁梁的截面型式(加筋薄壁梁),采用数值仿真技术,以初始冲击力峰值、总吸能、比吸能为指标分析了该截面型式梁的抗弯性能.与同等质量的空心方形梁和泡沫铝填充梁进行比较,发现加筋薄壁梁的吸能性能(或比吸能)显著提高.同时初始冲击力峰值也有大幅下降,说明这种加筋薄壁梁是新型保险杠的良好截面型式.     

新型多边形锥管的准静态压缩与耐撞性分析

在车辆的耐撞性研究中,锥形薄壁管因其具有稳定的力-位移曲线和变形过程,被认为是轴向加载下的一种理想的能量吸收器。设计了两种类型的新型多边形锥管,通过在传统的多边形锥管上引入特殊的折纸图案,诱导结构按预制的折纸图案发生变形,从而提高其在准静态轴向压缩条件下的耐撞性;并通过准静态压缩实验研究了截面边数和壁厚对其变形模式和耐撞性的影响。结果表明：截面边数的增加使结构更容易发生局部屈曲和塑性失稳;增加壁厚会使局部屈曲和塑性失稳相对减弱,但结构会产生更多的裂缝。截面边数N对耐撞性的影响主要体现在初始峰值力上,初始峰值力随N的增加而增加,平均压缩力、比吸能和压缩力效率随N变化无明显规律;壁厚t对耐撞性有较大的影响,初始峰值力、平均压缩力和比吸能都随t的增加而增加,压缩力效率随t增加无明显规律。同时,通过传统六边形锥管(CH6)与两类新型六边形锥管(N6M1和N6M2)对比发现,折纸图案的引入在降低初始峰值力、提高平均压缩力和压缩力效率方面有显著优势。     

泡沫材料准静态力学性能实验研究

利用INSTRON-1185型万能材料试验机在准静态加载环境下对不同密度的聚氨酯泡沫的抗压、抗拉及抗弯性能进行了较系统的实验研究,分析了聚氨酯泡沫材料的力学性能及吸能特性随表观密度的变化规律.研究表明,聚氨醋泡沫材料的杭压性能优于其杭拉性能,该材料具有良好的吸能特性,且其吸能特性随密度的增大而提高.     

泡沫铝合金填充圆管三点弯曲实验研究

用实验方法研究了三种不同管壁厚度、两种跨径的泡沫铝合金填充圆管的三点弯曲力学性能,得到了泡沫铝合金填充管结构承载过程中的三种变形模式,即压入、压入弯曲和管壁下缘拉裂破坏。给出了空管和泡沫铝合金填充管的载荷位移曲线,并进行了比较。实验发现泡沫铝合金填充管结构的承载能力随泡沫铝合金密度的增大而增大,但破坏应变则随之减小。结构承载力的相对提高量随着管壁厚度的减小和跨径的增大而增大。此外,分析了泡沫铝合金提高填充管结构承载能力的机理。泡沫铝合金填充使管壁压入量和管截面抗弯刚度的损失显著减小,从而提高了结构的抗弯能力。