复合泡沫填充薄壁圆管轴向变形与吸能特性的研究
发布时间：2021-03-27 19:00
泡沫铝填充薄壁管是一种性能优异的多孔材料复合结构,它既有独立承载能力,又有稳定性高、可在极端的环境下服役等突出优点,在工程领域具有巨大的应用潜力。另一方面,由于碳纳米管（CNTs）具有优异的力学、物理和化学性能,所以是铝基复合泡沫材料理想的增强相。近些年,随着航空航天等高科技领域对材料性能要求的不断提高,复合泡沫填充管的制备和性能研究成为热点。本文主要研究内容和结果如下:采用直接填充法制备了泡沫铝填充铝合金管,研究环境温度（25oC250oC）对填充管的压缩吸能和变形模式的影响。结果表明:同泡沫铝填充6061-O态铝合金管相比,泡沫铝填充6061-T6铝合金管具有更优异的吸能性能,但其吸能性能的温度敏感性也更高。高温使得泡沫铝、铝合金薄壁管和填充管的强度降低。泡沫铝和薄壁管的平均平台载荷共同决定了填充管的变形模式。采用数字图像相关技术研究了泡沫铝直接填充碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）薄壁管的变形过程和失效模式,研究了泡沫铝填芯孔隙率和环境温度对填充薄壁管力学和吸能性能的影响。结果表明:泡沫铝填充CFRP薄壁管的失效模式为纤维层断裂失效;随着泡沫铝孔隙率的增大...
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
树脂基复合材料薄壁管的失效模式[58]
中国民航大学硕士学位论文7易发生欧拉整体屈曲，这将会大大降低薄壁管的吸能效率，同时会危害保护件的安全。将泡沫铝与薄壁管通过机械咬合、胶接、冶金结合等方式组合，制备成的复合机结构为泡沫铝填充薄壁管(简称填充管)，可以承受多种形式的载荷，同时泡沫铝的填入使得填充管的变形模式发生了变化，在轴向受压时薄壁管的变形会更加稳定[59]。按照制备方式的不同，填充管可分为非原位填充管和原位填充管。非原位填充方法是指薄壁管和泡沫铝是独立制备完成的，然后将泡沫铝作为芯材直接填入薄壁管中，为增强粘接强度，泡沫铝和薄壁管之间可以用粘接剂、钎焊以及激光焊接等方式连接[60,61]。原位填充制备方法是指泡沫铝芯材在薄壁管中直接制备成型，这种方法获得的填充管界面结合性较好，但泡沫铝制备过程中产生的高温会对外管的性能有一定影响，常见的原位制备方法有粉末冶金发泡法和摩擦搅拌挤出法（如图1-6）等[62-65]。图1-6摩擦搅拌挤出法示意图[63]对于泡沫铝填充金属管结构，国内外已经展开了一系列的研究。在国内，李硕[66]以空心球粉煤灰和铝粉为基体，制备了铝基复合泡沫，将泡沫作为填芯放入不锈钢圆管中，制备得到复合泡沫填充钢管，通过改变空心球的球径（150μm、200μm和300μm），研究填充结构在轴向压缩、横向压缩和三点弯曲作用下的静力性能，并采用LS-DYNA方法研究了壁厚与平均压缩载荷和比吸能之间的关系式。郭荞毓[67]基于传统粉末冶金发泡法，研究发泡温度、加热速度、发泡剂种类对泡沫发泡过程和泡孔结构的影响。之后
中国民航大学硕士学位论文9国内外对泡沫铝填充树脂基复合材料薄壁管的性能和变形模式也进行了一定数量的研究。汤新[82]比较了泡沫铝填充CFRP薄壁管和硬质PU泡沫填充CFRP薄壁管的吸能效果，结果表明，泡沫铝填充管的峰值应力为CFRP管的1.2倍，载荷－位移曲线浮动较大，吸能效果不稳定；硬质PU泡沫填充管的峰值应力与CFRP管相当，载荷－位移曲线较为平稳，总吸能量提高了11%左右。Wang等[83]研究了20C到110C范围内不同温度下泡沫填充玻璃纤维增强塑料（GFRP）圆管的吸能作用。测试结果表明，泡沫填充GFRP薄壁管的轴向压缩性能和吸能性能受服役温度的影响较大。Gan等[84]研究了填充管的不同几何参数，结果发现圆形截面的填充管的吸能性能最优。目前，对于填充管的研究多为金属管，且测试温度常温居多，对于泡沫铝填充CFRP薄壁管的高温性能研究较少[84-77]。1.3.3泡沫铝及其填充薄壁结构的应用泡沫铝及其填充薄壁结构经过近几十年的发展，其质量有了大幅度的提高，生产成本也有所降低，这给其工业化应用提供了有利条件，本节主要通过几个典型的应用来说明泡沫铝及其填充薄壁结构广阔的应用前景。（1）电动汽车的电池盒电动汽车的电池盒由于需要满足多种要求（例如冲击保护，冷却，支撑等），因此其结构较为复杂，这种设计大大增加汽车的重量。为了减轻汽车重量，使用泡沫填充薄壁结构可以设计一种概念电池盒，这种电池盒通过铆钉和汽车粘合剂粘接到挤压的铝合金型材上，这个结构有高的刚度和冲击保护能力，并且质量同传统结构相比有所减小，因此，汽车质量比得到提高。图1-7展示了如何将电池盒集成到一辆JaguarI-pace概念汽车上。图1-7泡沫薄壁填充结构在电动汽车上的应用
本文编号：3104038
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
树脂基复合材料薄壁管的失效模式[58]
中国民航大学硕士学位论文7易发生欧拉整体屈曲，这将会大大降低薄壁管的吸能效率，同时会危害保护件的安全。将泡沫铝与薄壁管通过机械咬合、胶接、冶金结合等方式组合，制备成的复合机结构为泡沫铝填充薄壁管(简称填充管)，可以承受多种形式的载荷，同时泡沫铝的填入使得填充管的变形模式发生了变化，在轴向受压时薄壁管的变形会更加稳定[59]。按照制备方式的不同，填充管可分为非原位填充管和原位填充管。非原位填充方法是指薄壁管和泡沫铝是独立制备完成的，然后将泡沫铝作为芯材直接填入薄壁管中，为增强粘接强度，泡沫铝和薄壁管之间可以用粘接剂、钎焊以及激光焊接等方式连接[60,61]。原位填充制备方法是指泡沫铝芯材在薄壁管中直接制备成型，这种方法获得的填充管界面结合性较好，但泡沫铝制备过程中产生的高温会对外管的性能有一定影响，常见的原位制备方法有粉末冶金发泡法和摩擦搅拌挤出法（如图1-6）等[62-65]。图1-6摩擦搅拌挤出法示意图[63]对于泡沫铝填充金属管结构，国内外已经展开了一系列的研究。在国内，李硕[66]以空心球粉煤灰和铝粉为基体，制备了铝基复合泡沫，将泡沫作为填芯放入不锈钢圆管中，制备得到复合泡沫填充钢管，通过改变空心球的球径（150μm、200μm和300μm），研究填充结构在轴向压缩、横向压缩和三点弯曲作用下的静力性能，并采用LS-DYNA方法研究了壁厚与平均压缩载荷和比吸能之间的关系式。郭荞毓[67]基于传统粉末冶金发泡法，研究发泡温度、加热速度、发泡剂种类对泡沫发泡过程和泡孔结构的影响。之后
中国民航大学硕士学位论文9国内外对泡沫铝填充树脂基复合材料薄壁管的性能和变形模式也进行了一定数量的研究。汤新[82]比较了泡沫铝填充CFRP薄壁管和硬质PU泡沫填充CFRP薄壁管的吸能效果，结果表明，泡沫铝填充管的峰值应力为CFRP管的1.2倍，载荷－位移曲线浮动较大，吸能效果不稳定；硬质PU泡沫填充管的峰值应力与CFRP管相当，载荷－位移曲线较为平稳，总吸能量提高了11%左右。Wang等[83]研究了20C到110C范围内不同温度下泡沫填充玻璃纤维增强塑料（GFRP）圆管的吸能作用。测试结果表明，泡沫填充GFRP薄壁管的轴向压缩性能和吸能性能受服役温度的影响较大。Gan等[84]研究了填充管的不同几何参数，结果发现圆形截面的填充管的吸能性能最优。目前，对于填充管的研究多为金属管，且测试温度常温居多，对于泡沫铝填充CFRP薄壁管的高温性能研究较少[84-77]。1.3.3泡沫铝及其填充薄壁结构的应用泡沫铝及其填充薄壁结构经过近几十年的发展，其质量有了大幅度的提高，生产成本也有所降低，这给其工业化应用提供了有利条件，本节主要通过几个典型的应用来说明泡沫铝及其填充薄壁结构广阔的应用前景。（1）电动汽车的电池盒电动汽车的电池盒由于需要满足多种要求（例如冲击保护，冷却，支撑等），因此其结构较为复杂，这种设计大大增加汽车的重量。为了减轻汽车重量，使用泡沫填充薄壁结构可以设计一种概念电池盒，这种电池盒通过铆钉和汽车粘合剂粘接到挤压的铝合金型材上，这个结构有高的刚度和冲击保护能力，并且质量同传统结构相比有所减小，因此，汽车质量比得到提高。图1-7展示了如何将电池盒集成到一辆JaguarI-pace概念汽车上。图1-7泡沫薄壁填充结构在电动汽车上的应用
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