横向冲击载荷下泡沫铝夹芯双圆管的吸能研究(7)
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【摘要】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 partitio
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。
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。
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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