泡沫铝填充钢/铝复合管轴向抗冲击吸能特性
发布时间：2021-11-16 14:56
为揭示泡沫铝填充复合材料的力学行为,本文以泡沫铝填充钢/铝复合管（Al-Foam filled clad tube,简称AlFFCT）为研究对象,采用多孔泡沫材料Crushable-foam本构模型,在ABAQUS平台上模拟分析了泡沫铝孔隙率、高径比、径厚比、界面结合状态和复合管层厚比等材料和结构参数对AI-FFTC吸能特性的影响。结果表明:泡沫铝孔隙率低于90%时,Al-FFCT的冲击屈曲模态均为轴对称变形,与结构参数无关;泡沫铝与复合管以及复合管组元间界面结合状态和层厚比对结构变形协调性和整体的抗冲击能力具有显著影响,可通过上述多个结构参数的组合匹配,实现综合吸能特性的柔性定制,比传统的泡沫铝填充管具有更大的设计空间,为汽车保险杠、吸能盒等缓冲结构设计提供了新的轻量化材料。
【文章来源】：哈尔滨工程大学学报. 2017,38(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
泡沫铝填充管加载有限元模型
etersforFEmodel参数取值钢/铝复合管层厚比i0，0.1～1，∞填充泡沫铝孔隙率ρv60%，70%，80%，90%钢/铝复合管高径比h/Ｒ1，1.5，2，2.5，3钢/铝复合管径厚比Ｒ/e13，26，39，52结合状态普通接触、组元粘接结合表1中，层厚比i为钢层与铝层的厚度比值，i=0表示铝管、i=∞表示钢管;Ｒ为复合填充管半径;h为复合填充管高度;e为复合管壁厚。1.2材料模型泡沫铝材料计算模型采用ABAQUS软件内置材料模型Crushablefoam，其性能参数见表2。采用Isotropic各向同性强化准则，其屈服面为在p-q平面内中心在原点的椭圆(见图2)。表2有限元材料性能参数Table2MaterialparametersforFEmodel材料Ρ/(g·cm－3)E/MPaνσs/MPa泡沫铝孔隙率60%1.080357.75014.65孔隙率70%0.810278.5108.34孔隙率80%0.56725306.29孔隙率90%0.39385.302.15304不锈钢7.852000000.32156063铝合金2.7700000.3153图2各向同性强化可挤压泡沫材料模型Fig．2Crushablefoammodelwithisotropichardening单轴压缩初始屈服应力与三向均匀压缩初始屈服应力比值σ0c/p0c及单轴压缩横向与纵向塑性应变比值可决定材料初始屈服行为。对于本文研究的低密度泡沫材料，分别设置为1.732和0。为准确显示薄壁管的屈曲模态和作用方式，薄壁管采用Con-ventionalshell单元，并设置接触判断为Generalcon-tact，以保证实体单元与壳单元正确接触。泡沫铝Crushablefoam模型引入硬化准则，其不同孔隙率泡沫铝的屈服强度和塑性应变的对应关系如图3所示。外壁管的材料分别选择6063铝合金、304不锈钢，材料参数详见表2及参考文献［13－14］。研究表明，泡沫铝应变速率效应在高孔隙率时主要受基体影响，对于高孔隙率泡沫铝(孔隙率大于70%)，实际应用中可不必考
第7期王巍，等:泡沫铝填充钢/铝复合管轴向抗冲击吸能特性模拟研究敏感性问题［15］。图3泡沫铝应力应变曲线Fig．3Stress-straincurveoffoamaluminum2Al-FFCT变形模态及吸能特性有限元分析2.1泡沫铝孔隙率对变形模态和吸能特性的影响采用单变量原则，选定泡沫铝孔隙率ρv依次为60%、70%、80%、90%，其余参数如下:层厚比i=1、高径比Ｒ/h=2、径厚比Ｒ/e=13，复合形式为普通接触形式。图4分别给出了不同孔隙率下的变形模态图和冲击载荷与吸能特性的对比结果。由图4可知，当孔隙率从60%逐渐增大到80%时(图4(a)～(c))，Al-FFCT整体变形模态一致，均为轴对称屈曲模态，且褶皱形式一致;但当孔隙率增大到90%时，Al-FFCT屈曲模态由轴对称形式转变为过渡金刚石屈曲模态(图4(d))。可见，当孔隙率较低时，泡沫铝对外层复合管支撑效果明显，Al-FFCT受冲击后为轴对称屈曲。但随着泡沫铝孔隙率的增大，其整体刚度降低，对外层复合管的限制降低，整体转变为过渡模态。综合冲击力曲线(图4(e))和冲击吸能曲线(图4(f))可知，泡沫铝孔隙率越小，其刚度越大，对Al-FFCT的限制和吸能效果也越明显;但当孔隙率为90%时，Al-FFCT的整体抗冲击力在压缩后期低于稳定平台，且最大压缩位移降低，不利于整体吸能效果的提升。综上可知，在合适的范围内选择孔隙率较低的泡沫铝，既能增加整体吸能效果，又能改变和保证复合圆管的屈曲模态和吸能效果，具有重要的实际意义。以下研究将以70%泡沫铝为对象开展。图4泡沫铝孔隙率与Al-FFCT变形模态和抗冲击特性的关系Fig．4Therelationbetweenaluminumformporosityandthedeformationmodeandimpact-resistancepropertyofAl-FFCT2.2高径比对变形模态和抗冲击特性的影响取高径比h/Ｒ分别为1、1.5、2、2.5，?
【参考文献】：
期刊论文
[1]轴向冲击载荷下薄壁折纹管的屈曲模态与吸能[J]. 郝文乾,卢进帅,黄睿,刘志芳,王志华. 爆炸与冲击. 2015(03)
[2]泡沫填充GFRP复合材料圆筒的轴向压缩吸能特性[J]. 范学明,王璐,刘伟庆,陈浩,吴志敏,霍瑞丽. 玻璃钢/复合材料. 2014(12)
[3]填充泡沫铝的多层铝管动态压溃吸能特性研究[J]. 杨智春,袁潘. 振动工程学报. 2012(01)
[4]铝泡沫填充薄壁结构耐撞可靠性优化设计[J]. 张勇,林福泳. 机械工程学报. 2011(22)
[5]泡沫铝填充薄壁铝合金圆管轴向压缩性能的数值模拟[J]. 徐雅晨,凤仪,汤靖婧,张春基,杨茜婷. 稀有金属材料与工程. 2011(05)
[6]轴向脉冲载荷冲击下弹性圆柱壳动态屈曲中的竹节现象[J]. 马建青,徐新生,C.W.Lim,孙家斌. 哈尔滨工业大学学报. 2011(S1)
[7]几种不锈钢的拉伸应变硬化行为[J]. 杨瑞成,夏渊,胡天雷,张安明. 兰州理工大学学报. 2011(01)
[8]高速冲击泡沫铝填充管的瞬态分析[J]. 程涛,向宇,李健,余玲. 振动与冲击. 2010(08)
[9]闭孔泡沫铝应变率效应的试验和有限元分析[J]. 张健,赵桂平,卢天健. 西安交通大学学报. 2010(05)
[10]一种薄壁吸能结构的设计优化[J]. 蒋致禹,顾敏童,赵永生. 振动与冲击. 2010(02)
硕士论文
[1]轴向载荷下泡沫铝填充薄壁金属管吸能特性的研究[D]. 黄睿.太原理工大学 2015
[2]泡沫铝填充管的吸能特性研究及其在轿车前纵梁结构中的应用[D]. 曾繁波.华南理工大学 2014
本文编号：3499110
【文章来源】：哈尔滨工程大学学报. 2017,38(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
泡沫铝填充管加载有限元模型
etersforFEmodel参数取值钢/铝复合管层厚比i0，0.1～1，∞填充泡沫铝孔隙率ρv60%，70%，80%，90%钢/铝复合管高径比h/Ｒ1，1.5，2，2.5，3钢/铝复合管径厚比Ｒ/e13，26，39，52结合状态普通接触、组元粘接结合表1中，层厚比i为钢层与铝层的厚度比值，i=0表示铝管、i=∞表示钢管;Ｒ为复合填充管半径;h为复合填充管高度;e为复合管壁厚。1.2材料模型泡沫铝材料计算模型采用ABAQUS软件内置材料模型Crushablefoam，其性能参数见表2。采用Isotropic各向同性强化准则，其屈服面为在p-q平面内中心在原点的椭圆(见图2)。表2有限元材料性能参数Table2MaterialparametersforFEmodel材料Ρ/(g·cm－3)E/MPaνσs/MPa泡沫铝孔隙率60%1.080357.75014.65孔隙率70%0.810278.5108.34孔隙率80%0.56725306.29孔隙率90%0.39385.302.15304不锈钢7.852000000.32156063铝合金2.7700000.3153图2各向同性强化可挤压泡沫材料模型Fig．2Crushablefoammodelwithisotropichardening单轴压缩初始屈服应力与三向均匀压缩初始屈服应力比值σ0c/p0c及单轴压缩横向与纵向塑性应变比值可决定材料初始屈服行为。对于本文研究的低密度泡沫材料，分别设置为1.732和0。为准确显示薄壁管的屈曲模态和作用方式，薄壁管采用Con-ventionalshell单元，并设置接触判断为Generalcon-tact，以保证实体单元与壳单元正确接触。泡沫铝Crushablefoam模型引入硬化准则，其不同孔隙率泡沫铝的屈服强度和塑性应变的对应关系如图3所示。外壁管的材料分别选择6063铝合金、304不锈钢，材料参数详见表2及参考文献［13－14］。研究表明，泡沫铝应变速率效应在高孔隙率时主要受基体影响，对于高孔隙率泡沫铝(孔隙率大于70%)，实际应用中可不必考
第7期王巍，等:泡沫铝填充钢/铝复合管轴向抗冲击吸能特性模拟研究敏感性问题［15］。图3泡沫铝应力应变曲线Fig．3Stress-straincurveoffoamaluminum2Al-FFCT变形模态及吸能特性有限元分析2.1泡沫铝孔隙率对变形模态和吸能特性的影响采用单变量原则，选定泡沫铝孔隙率ρv依次为60%、70%、80%、90%，其余参数如下:层厚比i=1、高径比Ｒ/h=2、径厚比Ｒ/e=13，复合形式为普通接触形式。图4分别给出了不同孔隙率下的变形模态图和冲击载荷与吸能特性的对比结果。由图4可知，当孔隙率从60%逐渐增大到80%时(图4(a)～(c))，Al-FFCT整体变形模态一致，均为轴对称屈曲模态，且褶皱形式一致;但当孔隙率增大到90%时，Al-FFCT屈曲模态由轴对称形式转变为过渡金刚石屈曲模态(图4(d))。可见，当孔隙率较低时，泡沫铝对外层复合管支撑效果明显，Al-FFCT受冲击后为轴对称屈曲。但随着泡沫铝孔隙率的增大，其整体刚度降低，对外层复合管的限制降低，整体转变为过渡模态。综合冲击力曲线(图4(e))和冲击吸能曲线(图4(f))可知，泡沫铝孔隙率越小，其刚度越大，对Al-FFCT的限制和吸能效果也越明显;但当孔隙率为90%时，Al-FFCT的整体抗冲击力在压缩后期低于稳定平台，且最大压缩位移降低，不利于整体吸能效果的提升。综上可知，在合适的范围内选择孔隙率较低的泡沫铝，既能增加整体吸能效果，又能改变和保证复合圆管的屈曲模态和吸能效果，具有重要的实际意义。以下研究将以70%泡沫铝为对象开展。图4泡沫铝孔隙率与Al-FFCT变形模态和抗冲击特性的关系Fig．4Therelationbetweenaluminumformporosityandthedeformationmodeandimpact-resistancepropertyofAl-FFCT2.2高径比对变形模态和抗冲击特性的影响取高径比h/Ｒ分别为1、1.5、2、2.5，?
【参考文献】：
期刊论文
[1]轴向冲击载荷下薄壁折纹管的屈曲模态与吸能[J]. 郝文乾,卢进帅,黄睿,刘志芳,王志华. 爆炸与冲击. 2015(03)
[2]泡沫填充GFRP复合材料圆筒的轴向压缩吸能特性[J]. 范学明,王璐,刘伟庆,陈浩,吴志敏,霍瑞丽. 玻璃钢/复合材料. 2014(12)
[3]填充泡沫铝的多层铝管动态压溃吸能特性研究[J]. 杨智春,袁潘. 振动工程学报. 2012(01)
[4]铝泡沫填充薄壁结构耐撞可靠性优化设计[J]. 张勇,林福泳. 机械工程学报. 2011(22)
[5]泡沫铝填充薄壁铝合金圆管轴向压缩性能的数值模拟[J]. 徐雅晨,凤仪,汤靖婧,张春基,杨茜婷. 稀有金属材料与工程. 2011(05)
[6]轴向脉冲载荷冲击下弹性圆柱壳动态屈曲中的竹节现象[J]. 马建青,徐新生,C.W.Lim,孙家斌. 哈尔滨工业大学学报. 2011(S1)
[7]几种不锈钢的拉伸应变硬化行为[J]. 杨瑞成,夏渊,胡天雷,张安明. 兰州理工大学学报. 2011(01)
[8]高速冲击泡沫铝填充管的瞬态分析[J]. 程涛,向宇,李健,余玲. 振动与冲击. 2010(08)
[9]闭孔泡沫铝应变率效应的试验和有限元分析[J]. 张健,赵桂平,卢天健. 西安交通大学学报. 2010(05)
[10]一种薄壁吸能结构的设计优化[J]. 蒋致禹,顾敏童,赵永生. 振动与冲击. 2010(02)
硕士论文
[1]轴向载荷下泡沫铝填充薄壁金属管吸能特性的研究[D]. 黄睿.太原理工大学 2015
[2]泡沫铝填充管的吸能特性研究及其在轿车前纵梁结构中的应用[D]. 曾繁波.华南理工大学 2014
本文编号：3499110
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