横向冲击载荷下泡沫铝夹芯双圆管的吸能研究(4)
【作者】网站采编
【关键词】
【摘要】图15 试件的内外管和泡沫铝的吸能分配Fig.15 Energy absorption partition of inner tube, outer tube and aluminum foam of specimen 3 结论 本文采用数值模拟研究了泡沫铝填充的
图15 试件的内外管和泡沫铝的吸能分配Fig.15 Energy absorption partition of inner tube, outer tube and aluminum foam of specimen
3 结论
本文采用数值模拟研究了泡沫铝填充的双圆管结构在横向冲击载荷作用下的变形规律与吸能特性。建立了泡沫铝夹芯双圆管的有限元模型,并与文献[4]中已有的实验结果的进行了对比,验证了有限元模型的合理性与准确性。在此基础上分析了泡沫铝夹芯双圆管内外管的几何参数、芯层泡沫铝的相对密度和冲击速度等参数对其变形与吸能特性的影响。主要得到以下结论:
1)在横向冲击载荷作用下,泡沫铝夹芯双圆管在冲击初始时刻,通过冲击端的塑性变形吸收了大部分能量,后续阶段主要依靠左右两端的弯曲变形来吸收能量。
2)泡沫铝夹芯双圆管结构的几何参数对结构在横向冲击载荷作用下的比吸能有显著影响,外管直径越大,内管壁厚越大,泡沫铝芯层厚度越大,结构的比吸能越大。随着外管壁厚与内管直径的增加,泡沫铝夹芯双圆管的比吸能减小。
3)不同冲击速度影响横向冲击载荷作用下泡沫铝夹芯双圆管的变形模态与吸能性能,当冲击速度分别为10 m/s、 20 m/s和30 m/s时,夹芯双圆管结构呈上下对称、左右对称的变形模态,其不同压缩位移处的比吸能近似相等;当冲击速度大于30 m/s时,泡沫铝夹芯双圆管呈左右对称的变形模态,其冲击载荷与比吸能随着冲击速度的增大而增大。
4)在横向冲击载荷作用下,芯层材料泡沫铝的相对密度是影响夹芯双圆管比吸能的主要因素之一,泡沫铝的相对密度越大,泡沫铝夹芯双圆管的比吸能也越大。
因此,在工程实际应用中,泡沫铝夹芯双圆管结构作为缓冲吸能元件,可通过增加外管直径或者减小内管直径实现泡沫芯层厚度的增加来提高其比吸能,也可通过减小外管壁厚或者增加内管壁厚来提高结构的比吸能。此外,采用相对密度较大的填充材料也可提高结构的能量吸收能力。
0 引言
随着科学技术的发展,机动车辆的数量越来越多,速度也越来越快,随之而来的交通事故对人类和环境的破坏也越来越大,这使得被动式安全吸能装置设计方面的研究成为了重要课题。20世纪60年代以来,由于管状结构生产方便、低成本和在冲击载荷作用下良好的吸能特性,引起了国内外研究者的广泛关注[1-3]。
管状结构在吸能缓冲方面的研究从单管发展到夹芯双管结构。Fan等[4]研究了动态侧向载荷作用下薄壁金属圆管的力学响应,结果表明动态冲击载荷作用下圆管能量耗散主要通过沿环向移动的塑性铰实现。为进一步提高管状结构的吸能效率,基于金属泡沫材料相对于传统材料具有轻质、高比强度、高比刚度和优异的吸能等特点,金属泡沫填充管引起了研究者们的关注。Hall等[5]首先对泡沫金属铝、铜和钛填充管在横向冲击载荷下的吸能进行了研究,泡沫铝填充管表现出最好的吸能效果。Fan等[4]与Shen等[6]对铝泡沫填充的薄壁双圆管结构进行了横向压扁的实验研究,观察到3种不同的压溃模态,得到了渐进的倒塌过程和载荷- 位移曲线。数值模拟了泡沫填充管的渐进坍塌过程,并与实验数据进行了对比。研究结果表明,泡沫填充的三明治管的能量吸收能力比单独的内管、外管与泡沫芯层吸能的总和大。Niknejad等[7]对软木填充的复合材料管进行了侧向压入实验研究。在研究夹芯管吸能性能的同时,其他截面形状的夹芯结构的吸能性能也引起了研究者们的关注,主要包括矩形截面长方体管[8]、矩形截面四棱锥管[9]、圆锥截面管[10]、多边形截面管[11]、椭圆截面管[12]。另外,Olabi等[13]通过实验与数值模拟相结合的方法研究了圆管嵌套系统在低速侧向冲击下的力学行为,并对嵌套系统进行了优化设计。Baroutaji等[14]利用实验设计原理、响应面法和多目标优化设计等方法对准静态侧向压缩的泡沫铝夹芯圆管结构进行了优化设计。
综上所述,与金属薄壁管相比,多孔材料夹芯双圆管结构结合了多孔材料与薄壁管的优点,不仅可以获得较高的承载能力,而且具有良好的吸能性能。已有的研究主要集中于压缩载荷作用下夹芯双圆管变形与吸能性能的研究,而冲击载荷作用下泡沫铝填充管的研究较为少见。作为缓冲吸能的结构元件,大多数情况下要承受各种冲击载荷作用,因此本文开展了横向冲击载荷作用下泡沫铝夹芯双圆管的变形与吸能特性的研究。利用非线性有限元软件LS-DYNA建立了夹芯双圆管结构的有限元模型,并与文献[4]中已有的实验结果进行了对比,从而验证了有限元模型的合理性与可行性。基于建立的有限元模型分析了泡沫铝夹芯双圆管结构的几何参数,如外管、内管的直径与壁厚等因素对结构的抗冲击性与耐撞性的影响;研究了不同冲击速度对夹芯双圆管结构的力学行为与能量分配机理的影响;并分析了芯层材料泡沫铝的相对密度对结构冲击载荷和比吸能的影响。
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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