横向冲击载荷下泡沫铝夹芯双圆管的吸能研究(3)
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【摘要】分析不同几何尺寸的泡沫铝夹芯双圆管结构的模拟结果可知,夹芯双圆管的外管直径越大,内管直径越小,夹芯双圆管的冲击载荷和比吸能越大。原因是夹
分析不同几何尺寸的泡沫铝夹芯双圆管结构的模拟结果可知,夹芯双圆管的外管直径越大,内管直径越小,夹芯双圆管的冲击载荷和比吸能越大。原因是夹芯双圆管中泡沫铝芯层的厚度增加,即泡沫铝的总质量增加,泡沫铝吸收了较多的能量。
2.2 冲击速度的影响
为了研究不同的冲击速度对泡沫铝夹芯的双圆管结构变形模态与吸能性能的影响,给出了5种不同冲击速度下结构的分析结果。图9给出了不同冲击速度下泡沫铝夹芯双圆管的冲击载荷和比吸能随横向位移的变化规律。由图9可知,随着冲击速度的增大,泡沫铝夹芯双圆管的冲击载荷和比吸能呈现增大的趋势。当冲击速度小于30 m/s时,不同冲击速度下的比吸能- 位移曲线几乎重合,从而表明在冲击速度较小时,不同的冲击速度对泡沫铝填充双圆管结构的比吸能影响较小。当冲击速度v=100 m/s时,冲击载荷- 位移曲线在初始峰值后表现出剧烈的波动,原因是泡沫铝夹芯的双圆管结构在高速冲击时结构的惯性效应所致。
图9 试件NS02受不同冲击速度的影响Fig.9 Effect of impact velocities on specimen NS02
表4给出了试件NS02在3种不同冲击速度10 m/s、50 m/s和100 m/s下的变形模态图。由表4可知:当冲击速度为10 m/s时,结构的变形模态上下对称、左右对称;而当冲击速度超过50 m/s时,泡沫铝夹芯双圆管结构由冲击端开始发生塑性变形,之后变形扩展到整个结构,变形模态呈现出左右对称的特征。由此可知,由于速度的增大,结构的变形机制发生了改变。
基于在冲击过程中泡沫铝夹芯双圆管的变形特征,为了进一步分析夹芯双圆管在横向冲击载荷下的吸能机理,建立了如图10所示的夹芯双圆管NS02的有限元模型。该分析模型将泡沫铝夹芯双圆管结构分成冲击端、远离冲击端、左右两端均等的4部分组成。图10给出冲击速度v=10 m/s时,4部分的吸收能量占结构总吸能的百分比- 位移曲线。从图10中可以得到,在初始冲击瞬间冲击端几乎吸收了全部能量,原因是在冲击瞬间结构由于惯性作用只有冲击端产生塑性变形。随着冲击过程的进行,其他3部分也发生了塑性变形。当夹芯双圆管的横向位移大约为35 mm时,4部分所吸收能量相等,随着横向位移的增大,左右两部分所吸收能量几乎相等,冲击端和远离冲击端吸收的能量也相等。同时左右两部分吸收能量的百分比大于上下两部分,表明当横向位移大于35 mm时,夹芯双圆管主要依靠左右两部分的塑性变形来吸收能量。图11给出了横向位移δ=55 mm时试件NS02各组成部分吸收能量的百分比,可知冲击端与远离冲击端所吸收的能量几乎相等,左右两端的吸能也大致相等。
图10 试件NS02组成部分吸能- 位移曲线Fig.10 Energy absorption-displacement curves of components of specimen NS02
图11 试件NS02组成部分的吸能分配Fig.11 Energy absorption partition of components of specimen NS02
图12给出了试件NS02各组成部分的动能- 位移曲线,可以得到冲击端动能Ek最大,左右两部分具有相等的动能,而远离冲击端在初始阶段有一小段先增大后又减小的波峰外,动能近似为0,表明远离冲击端在冲击的初始阶段因为夹芯双圆管结构的反弹使其具有瞬间较大的动能。图13给出了以v=10 m/s的速度冲击外管直径D=100 mm,外管壁厚H=3 mm,内管直径d=50 mm,内管壁厚h=1 mm,长度L=50 mm的试件时,上下刚平板所承受的冲击载荷随时间的变化规律。由图13可知,上刚板所受的冲击载荷出现了明显的波动,当t=605 μs时,载荷达到了第2个峰值,原因是泡沫铝夹芯双圆管底部的反弹导致反作用力- 位移曲线中的第2个波峰。
图12 试件NS02组成部分的动能- 位移曲线Fig.12 Dynamic energy-displacement curves of components of specimen NS02
图13 上下刚板的载荷- 时间曲线Fig.13 Impact loading-time curves of upper and lower rigid plates
2.3 泡沫铝相对密度的影响
图14给出了冲击速度v=10 m/s时3种不同相对密度的泡沫铝夹芯双圆管的冲击载荷- 位移曲线与比吸能- 位移曲线。从图14中可以得到泡沫铝的相对密度越大,夹芯双圆管所受到的冲击载荷与比吸能越大。当横向位移δ=30 mm时,3种不同相对密度的泡沫铝夹芯双圆管NS13、NS14和NS15的比吸能分别为0.58 J/g、0.70 J/g和1.18 J/g.
图14 泡沫铝相对密度的影响 Fig.14 Effects of aluminum foam on relative density
为了进一步研究夹芯双圆管的外管、内管和泡沫铝芯层3部分在冲击过程中的能量吸收的分配规律,图15给出了不同试件的外管、内管和泡沫铝芯层在横向位移δ=50 mm时占总吸能的百分比。从图15可以看出,除试件NS01和NS10外,在横向冲击过程中泡沫铝芯层吸收的能量大于内管、外管吸收的能量,如夹芯双圆管试件NS15中泡沫铝芯层吸收能量占夹芯双圆管吸收总能量的76%。试件NS13、NS14和NS15的内管、外管的几何参数相同,填充泡沫铝的相对密度分别为8%、12%和20%,由图15可知:随着芯层材料泡沫铝相对密度的增大,试件N14和N15中芯层泡沫铝吸收的能量比NS13增加了19%和38%,而内管与外管吸收的能量占总能量的比例减小;随着外管直径的增大如试件NS01、NS02与NS03,内管和外管吸收能量所占总能量的百分比减小。然而,内管直径的增大如试件NS04、NS05与NS06,内外管的吸能占总能量的比例增加。
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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