横向冲击载荷下泡沫铝夹芯双圆管的吸能研究(2)
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【摘要】表1 内外圆管的材料参数Tab.1 Material parameters of inner and outer tubes材料名称密度/(kg·m-3)弹性模量/GPa屈服强度/MPa泊松比切线模量/GPa铝合金 36 17 1.3 有限元模型
表1 内外圆管的材料参数Tab.1 Material parameters of inner and outer tubes材料名称密度/(kg·m-3)弹性模量/GPa屈服强度/MPa泊松比切线模量/GPa铝合金 36 17
1.3 有限元模型验证
表2 泡沫铝的材料参数Tab.2 Material parameters of aluminum foam泡沫铝相对密度/%弹性模量/GPa拉伸强度/MPa泊松比F180 91 60 33F291 11 60 33F3121 93 60 33F4205 78 60 33
表3 试件的几何参数Tab.3 Geometric parameters of specimens试件编号外管直径D/mm内管直径d/mm外管壁厚H/mm内管壁厚h/mm试件长度L/mm相对密度ρ/%试件质量m/gNS41 62NS193 21NS252 60NS254 11NS243 41NS9224 92NS151 80NS234 65NS166 76NS119 65NS1116 43NS1219 64NS131 33NS1411 75NS1510 48
图3 泡沫铝材料的应力- 应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of aluminum foam material
为了验证建立的有限元模型的可靠性与合理性,与文献[4]中的实验结果进行了对比。泡沫铝夹芯双圆管试件的几何尺寸如下:外管直径D=99.61 mm,壁厚H=1.89 mm,内管直径d=59.76 mm,壁厚h=1.86 mm,试件长度L=50 mm. 数值模拟了冲击速度为10 m/s时泡沫铝夹芯双圆管试件的变形过程,并给出了冲击载荷随位移的变化规律,如图4所示。由图4可知,试件数值模拟的结果和实验结果吻合较好,从而验证了有限元模型的合理性与可行性。
图4 模拟和实验结果的对比Fig.4 Comparison of simulated and experimental results
2 仿真结果与分析
能量吸收装置主要是通过碰撞过程中结构的塑性变形与失效而耗散大量的能量来吸收碰撞动能,从而缓冲撞击力以减少伤害。因此要求吸能构件尽可能吸收较多的能量,同时又要避免较大的峰值载荷和波动。评估吸能指标主要包括总吸能与比吸能。
整个变形过程中吸收的总能量E可通过载荷F与位移δ曲线的积分而得到:
式中:F为作用在结构上的瞬时冲击载荷;δ为结构的位移。
比吸能SEA定义为单位质量结构所吸收的能量,是衡量材料与结构能量吸收能力的一个重要参数。比吸能为
2.1 几何参数对比吸能和冲击载荷的影响
泡沫铝夹芯双圆管试件两端自由,冲击载荷通过刚体的冲击而施加,因此夹芯双圆管结构在长度方向所受的冲击载荷均匀,研究的模型可简化为二维平面应变模型。图5给出了不同长度的夹芯双圆管结构单位长度上的冲击载荷与比吸能随横向位移的变化规律。由图5可知,结构的长度对单位长度的冲击载荷与比吸能影响很小,因此在分析结构的几何参数影响时,重点考虑了组成结构的内圆管、外圆管的直径、壁厚与芯层材料泡沫铝的厚度等几何参数的影响。在以下分析中,夹芯双圆管结构的冲击载荷均指单位长度上的冲击载荷。
图5 冲击载荷- 位移曲线与比吸能- 位移曲线Fig.5 Impact loading-displacement curves and SEA-displacement curves
图6 冲击载荷- 位移曲线Fig.6 Impact loading-displacement curves
2.1.1 外管直径与壁厚的影响
为研究横向冲击载荷下泡沫铝夹芯双圆管结构的几何参数对结构变形与吸能特性的影响,本节给出了3种不同外管直径与3种不同外管壁厚的分析结果。图6给出了不同直径与壁厚的泡沫铝夹芯双圆管在冲击速度v=10 m/s时的冲击载荷- 位移曲线。由图6可知,随着结构外管直径和壁厚的增加,泡沫铝夹芯双圆管的单位长度上的冲击载荷增大。在冲击载荷- 位移曲线的初始阶段有下降的波谷,原因是夹芯双圆管结构在受冲击的时候反弹引起的,这与文献[4]中高速照相机拍摄到的现象相一致。
图8 冲击载荷- 位移曲线与比吸能- 位移曲线Fig.8 Impact loading-displacement curves and SEA-displacement curves
图7给出了冲击速度v=10 m/s,横向位移δ=45 mm时,泡沫铝夹芯双圆管在内管直径d=60 mm,内管壁厚h=2 mm,芯层泡沫铝相对密度为20%的情况下,外管直径D和壁厚H对其比吸能的影响。从图7可以得到:随着泡沫铝夹芯双圆管外管直径的增大,结构的比吸能增大,而且外管管壁越厚,其比吸能增大的比例越大;另外,当外管直径相同时,壁厚较薄的夹芯双圆管结构的比吸能较大,原因是芯层材料泡沫铝的厚度增大导致结构整体的比吸能增大。
图7 外管直径和壁厚对比吸能的影响Fig.7 Effects of diameter and wall thickness of outer tube on SEA
2.1.2 内管直径和壁厚的影响
泡沫铝夹芯双圆管结构外管的几何尺寸影响结构的承载能力与比吸能,本节进一步研究内管的几何参数对结构变形与吸能的影响。图8给出了横向冲击速度v=10 m/s时3种内管直径和3种内管壁厚的夹芯双圆管结构的冲击载荷- 位移曲线与比吸能- 位移曲线。由图8(a)和图8(b)可知,随着内管直径的减小和壁厚的增大,泡沫铝夹芯双圆管结构的冲击载荷增大;由图8(c)和图8(d)可以得到,随着内管直径的减小和壁厚的增大,泡沫铝夹芯双圆管的比吸能增大。
文章来源:《固体力学学报》 网址: http://www.gtlxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0205/390.html
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