侧向载荷下泡沫铝填充薄壁金属圆管的变形与吸能特性

发布时间：2017-04-27 15:27

  本文关键词：侧向载荷下泡沫铝填充薄壁金属圆管的变形与吸能特性，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：薄壁金属管结构是最常见、最有效的一种吸能元件,已广泛应用于汽车、轨道交通、飞机和轮船等几乎所有交通工具以及国防军备装置等的碰撞能量缓冲系统当中。当碰撞发生时,金属薄壁元件以不同的模式发生塑性变形来耗散或吸收冲击能量。典型的多孔材料如泡沫铝具有密度小、比吸能高和抗冲击性能强等优点,但由于其自身抗拉、压、弯、扭等载荷的能力较差,因而应用在工程领域时受到一定的限制。将二者组合成填充结构或夹芯结构,是一种理想的、高效的能量吸收构件。本文以泡沫铝填充圆管为研究对象,通过理论、实验以及数值模拟的方法对侧向准静态载荷和冲击载荷作用下金属薄壁圆管和泡沫铝填充管的变形模式、承载能力和能量吸收特性进行了的研究。主要工作如下:基于能量的方法,假定泡沫铝填充圆管在侧向载荷作用下的吸能由金属薄壁圆管和泡沫铝圆柱两部分的吸能组成,建立了预测泡沫铝填充管在侧向压缩时的瞬时侧向力、平均侧向力和能量吸收的理论公式。与金属薄壁圆管及泡沫铝填充管的准静态侧向压缩实验结果进行了对比分析,结果表明侧向力与总吸能的理论预测值与实验结果吻合较好,从而验证了理论模型的合理性。利用建立的理论公式研究了金属薄壁圆管的几何尺寸与泡沫铝材料的力学性能对金属薄壁圆管与泡沫铝填充圆管的侧向力、平均侧向力和总吸能的影响,结果表明泡沫铝填充圆管在准静态侧向压缩载荷作用下,其瞬时侧向力、平均侧向力和总吸能均高于金属薄壁圆管;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增加。研究了泡沫铝填充薄壁金属圆管在侧向冲击载荷作用下的力学响应。利用有限元软件LS-DYNA对薄壁金属圆管和泡沫铝填充管受侧向冲击载荷进行了数值模拟分析,将模拟结果与实验结果进行了对比,验证了有限元模型的合理性与计算结果的精确性。在此基础上,系统地分析了薄壁金属圆管与泡沫填充管的长度、直径、壁厚、泡沫铝的密度、冲击速度等因素对其变形规律与吸能特性的影响。在侧向冲击载荷作用下泡沫铝填充管的压溃可以分为三个阶段,初始碰撞阶段、塑性变形阶段和密实化阶段;当冲击速度超过一定数值时,填充管的变形模式发生改变,由对称变形变为非对称的变形。与薄壁金属圆管相比,泡沫铝填充管的侧向冲击载荷、总吸能与比吸能显著增大。管的几何尺寸、泡沫铝密度、冲击速度等对泡沫填充管的吸能性能影响较大。
【关键词】：泡沫铝填充管 侧向压缩力 能量吸收 变形规律
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.21;TB34
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 课题研究背景及意义10-13
• 1.2 泡沫金属填充金属薄壁管的研究现状13-20
• 1.2.1 金属薄壁管的研究现状13-17
• 1.2.2 泡沫金属材料的研究现状17-18
• 1.2.3 泡沫金属填充管的研究现状18-20
• 1.3 本文的主要研究内容20-22
• 第二章 侧向压缩泡沫铝填充薄壁金属圆管的理论研究22-36
• 2.1 引言22
• 2.2 理论模型的建立22-25
• 2.2.1 金属薄壁圆管的侧向压缩力22-23
• 2.2.2 泡沫铝的侧向压缩力23-25
• 2.2.3 泡沫铝填充管的侧向压缩力25
• 2.3 准静态实验25-27
• 2.3.1 实验材料25
• 2.3.2 实验装置25-27
• 2.4 结果与讨论27-35
• 2.4.1 吸能评价指标30-31
• 2.4.2 单位管长度上的侧向力31
• 2.4.3 壁厚的影响31-32
• 2.4.4 直径的影响32-34
• 2.4.5 泡沫铝密度的影响34-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第三章 侧向冲击载荷下泡沫铝填充管的变形与吸能36-52
• 3.1 引言36
• 3.2 冲击实验装置与试件36-38
• 3.2.1 试件36-37
• 3.2.2 实验设备37-38
• 3.3 有限元模拟与分析38-50
• 3.3.1 有限元模型的建立38-39
• 3.3.2 有限元模型的验证39-40
• 3.3.3 模拟结果与分析40-50
• 3.4 本章小结50-52
• 第四章 全文总结与工作展望52-56
• 4.1 全文总结52-53
• 4.2 工作展望53-56
• 参考文献56-62
• 致谢62-64
• 攻读学位期间发表的学术论文64

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