横向冲击载荷下泡沫铝夹芯双圆管的吸能研究(5)
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【摘要】1 有限元仿真 1.1 有限元模型 采用有限元软件LS-DYNA对泡沫铝夹芯双圆管结构在横向冲击载荷作用下的变形模态与吸能机理进行数值模拟。泡沫铝夹芯双圆管
1 有限元仿真
1.1 有限元模型
采用有限元软件LS-DYNA对泡沫铝夹芯双圆管结构在横向冲击载荷作用下的变形模态与吸能机理进行数值模拟。泡沫铝夹芯双圆管结构由内、外两个同心薄壁金属圆管和泡沫铝芯层3部分组成,如图1所示。内、外两个薄壁金属圆管的材料铝合金AA6061-T5对应变率效应不敏感,因此可以忽略应变率的影响[4]。芯层材料采用闭孔泡沫铝。图1中,外圆管的直径为D,壁厚为H,内圆管的直径为d,壁厚为h,长度为L. 内、外两个薄壁金属圆管采用4节点SHELL163单元,沿厚度方向采用5个积分点,泡沫铝芯层采用8节点SOLID164单元。建立的有限元模型如图2所示,泡沫铝夹芯双圆管横向放置在底端完全固定的刚性平板上,上部受冲击速度为v的刚性平板冲击。泡沫铝夹芯双圆管与上下刚板之间采用自动面面接触(CONTACT_ AUTOMATIC_SURFACE_ TO_SURFACE),泡沫铝芯层与内管、外管之间约束采用固- 连面面接触(CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE),动摩擦系数f=0.1.
图1 泡沫铝夹芯双圆管示意图Fig.1 Schematic diagram of aluminum foam-filled double circular tube
图2 泡沫铝夹芯双圆管有限元模型Fig.2 Finite element model of aluminum foam-filled double circular tube
1.2 材料属性
在有限元分析中,上刚板、下刚板采用MAT_RIGID材料模型。内、外两个薄壁金属圆管的材料采用双线性应变强化弹塑性模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC),芯层材料泡沫铝采用可压缩泡沫材料模型(*MAT_CRUSHABLE_FOAM)[15],具体的材料参数如表1、表2所示。模拟分析中考虑了不同几何尺寸的泡沫铝夹芯双圆管结构,4种相对密度分别为8%、9%、12%和20%的泡沫铝芯层材料,共研究了15种不同几何参数的夹芯双圆管试件,详细参数如表3所示。图3给出了相对密度分别为8%、12%和20%的泡沫铝工程应力- 应变曲线,其中相对密度为9%的泡沫铝材料应力与应变关系由文献[4]给出。
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。
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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