泡沫铝填充薄壁铝合金多胞板与单胞板吸能性能研究

为研究泡沫铝填充薄壁铝合金多胞板(MCP)与单胞板(SCP)的吸能能力,该文设计了6种不同截面的泡沫铝填充薄壁铝合金多胞板与1种单胞板,并基于非线性有限元软件LS-DYNA建立了相应的数值模型。对经典铝合金板耐撞击试验及泡沫铝夹芯板耐撞击试验进行了数值模拟,分析表明该数值模型能较好的模拟泡沫铝夹芯板在冲击过程中的撞击力、挠度和变形形态。基于此模型对比研究了不同因素下多胞板与单胞板的吸能特性,分析了其破坏模式和吸能机理,最后通过正交试验的方法分析了不同因素下的吸能效率以及多胞板最优截面类型的选取。结果表明：在面外冲击作用下,泡沫铝填充薄壁铝合金板的破坏模式为对称圆锥式破坏,冲击力-位移曲线和变形图显示其变形过程分为两个阶段：弹塑性变形阶段和回弹阶段;在发生相同位移时,18种不同参数的多胞板,其吸收的总能量(E)和比吸能(SEA)相对于单胞板都提高了400%以上,是一种更具吸能特性的板,可广泛应用于防护工程。     

泡沫铝填充薄壁铝合金方管轴向压缩性能的数值模拟

泡沫铝填充薄壁结构的应用日趋广泛,研究了泡沫铝填充薄壁铝合金方管准静态轴向压缩条件下的力学性能。实验选用铝合金方管作为面板,Al-Mg合金泡沫铝作为夹芯制备泡沫铝填充薄壁铝合金方管。结果表明泡沫铝层合方管与薄壁铝合金方管的变形模式相同,都为对称叠缩变形模式,而且层合方管产生的折叠数比薄壁铝合金方管多。填充泡沫铝后,层合方管承受压力的能力也大大提高。采用ABAQUS软件建立了薄壁铝合金方管的有限元模型进行数值模拟,并且与相应的实验结果作对比,结果表明数值模拟与实验结果基本吻合。     

高速冲击泡沫铝填充管的瞬态分析

泡沫铝具有减震和吸收冲击能量的良好特性。但由于泡沫铝自身强度较低,单独作为承载和吸能构件实用意义不大。将泡沫铝作为填充材料能充分发挥泡沫铝的优良性能。采用数值模拟方法研究低密度Duocel泡沫铝填充薄壁方钛管和圆钛管在30m/s的匀速冲击载荷作用下的瞬态吸能特性。提出柱壳比(R)作为比较不同截面形状的泡沫铝填充结构的依据。研究发现泡沫铝填充方钛管的比吸能为ES(F+P)A=0.438J;圆钛管的比吸能为EC(F+P)A=0.344J。泡沫铝填充方钛管的吸能效果好于圆钛管,前者是后者的1.273倍。在相互作用和影响下,泡沫铝柱和管的变形模式和力学性能都发生了较大的改变,被泡沫铝填充的方管的屈曲波长变短,圆管则与之相反。粘合后,泡沫铝柱和管具有类似的力—位移曲线和相似的力学性质。     

诱导结构对泡沫铝填充薄壁方管轴向压溃特性影响的研究

建立了泡沫铝填充薄壁方管的有限元模型,利用试验对泡沫铝填充薄壁方管的有限元模型的准确性进行了验证。研究了诱导结构的类型和数量对泡沫铝填充薄壁方管的轴向压溃变形模式、初始峰值力、压溃力效率和能量吸收能力的影响,结果表明:设计诱导结构可以提高能量吸收能力、减小初始峰值力、增加压溃力效率,甚至可以改变压溃变形模式。沿薄壁方管的轴向方向合理地增加诱导结构的数量,可以进一步的减小初始峰值力、增加压溃力效率、提高结构的能量吸收能力。通过等级评价方法,确定沿薄壁方管的轴向方向设计4组诱导四角方孔可以使泡沫铝填充薄壁方管获得最佳的综合吸能特性。     

填充泡沫铝的多层铝管动态压溃吸能特性研究

采用数值模拟的方法研究和分析了无填充物的多层铝管结构的吸能特性,结果发现多层铝管相比单层铝管,不但具有较大的吸能量,而且还具有较高的比吸能率;在此基础上,设计了不同层数的多层管泡沫铝填充结构,研究发现泡沫铝不但受轴向压溃变形,同时也受到了铝管层之间的相互作用力使其在径向发生了变形;之后对多层管填充3种不同密度的泡沫铝,采用变参分析的方法研究了多层管层数和泡沫铝密度对整个结构吸能特性的影响;研究结果表明:填充泡沫铝的多层管,随着层数的增加,其比吸能率和吸能量也随之有所增加,随着泡沫铝密度的提高,比吸能率的提高量开始下降,但仍高于填充相同泡沫铝的单层管。     

泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器吸能特性的试验研究

摘要：通过试验方法研究了泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器在准静态作用下的吸能特性。首先,进行了泡沫铝,薄壁金属管塑性变形缓冲器及泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器的轴向压缩试验。然后,根据试验结果,对泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器的吸能特性进行了分析,并与独立的泡沫铝及薄壁金属管塑性变形缓冲器的吸能特性进行了比较。结果表明,泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器的吸能特性有了很大的提高。在吸收的能量一定时,泡沫铝填充结构能够减少吸能结构所需要的体积与质量。     

矿用扩径式吸能构件吸能防冲特性研究

为增强液压立柱的防冲性能,有效防治煤矿冲击地压,或在一定程度上减小冲击地压事故造成的损失,提出了一种与液压立柱结合使用的扩径式吸能构件。采用理论分析和试验研究方法,对构件吸能防冲特性进行研究,结果表明：轴向压缩下扩径式吸能构件具有非常好的稳定性和可重复性的变形破坏模式,且构件变形后向四周膨胀值仅为薄壁圆管厚度,几乎不占用其它空间。扩径式吸能构件压缩过程中具有较为理想的力-位移曲线。扩径式吸能构件冲程效率不受几何尺寸影响,扩径式防冲构件具有较小的载荷波动系数。理论推导得出了构件吸能防冲评价指标,并与试验结果具有较好吻合,为构件选取提供了理论依据。扩径式防冲构件是较为理想的吸能防冲构件。     

石膏型渗流制备泡沫铝填充圆管压缩行为研究

采用石膏型渗流制备开孔泡沫铝并填充到薄壁圆管,制成泡沫铝夹心管.通过准静态压缩试验研究了泡沫铝夹心管的压缩行为.结果表明:采用石膏型渗流法制备的泡沫铝孔隙率在85％左右,其压缩变形阶段可分为弹性段、塑性平台段和致密化段;空心圆管的压缩行为与其本身的结构参数有关;泡沫铝夹心管的力学性能与吸能能力比空心圆管和泡沫铝有了一定...     

轴向冲击作用下泡沫铝填充圆管吸能特性研究

基于金属圆管移动塑性铰理论,建立一种考虑偏心率效应和相互作用效应的泡沫铝填充圆管轴向冲击移动塑性铰分析模型,利用LS-DYNA软件对填充结构进行冲击仿真试验.结果表明,移动塑性铰模型和静态塑性铰模型相比,移动塑性铰模型计算的理论结果与仿真结果具有更好的一致性.泡沫铝填充圆管的平均压溃载荷与偏心率m有关,m存在最优值,冲击速度越大,m的最优值也越大.受轴向冲击载荷压溃时,泡沫铝与圆管之间存在明显的相互作用效应,在分析吸能特性时应加以考虑.     

泡沫铝填充管的研究进展

泡沫铝填充管是在一个或多个不同横截面形状的薄壁金属管内填充泡沫铝而形成的一种结构功能一体化材料。泡沫铝的填充不仅提高了薄壁金属管的轴向压缩性能和抗弯曲性能,也避免了泡沫铝本身强度不高的劣势。从泡沫铝填充管的制备、结构及性能方面综述了其研究现状,从泡沫铝单管、双管与多管填充的角度分析了结构对泡沫铝填充管压缩和弯曲性能的影响。单管填充泡沫铝改变了薄壁管压缩及弯曲的失效形式,提高了薄壁管的吸能性;双管填充泡沫铝的内管多数以同心管形式排列,在管内部所填充的泡沫铝支撑的基础上,内管进一步支撑起泡沫铝填充管的承载和吸能作用,其压缩及弯曲性能较单管填充更为突出;多管填充泡沫铝在双管基础上进行拓展,可以同心或并列排布,对薄壁管性能的提升各有不同,平行排列的多管结构能量吸收效率高于泡沫铝填充单管,但低于相应的薄壁空管结构。泡沫铝填充管的制备技术通常是分别制取泡沫铝和管材再进行填充,尽管过于单一且工艺复杂,但由于其具有优异的承载和吸能能力,仍然在交通运输、航空航天等领域极具应用潜力。     

泡沫铝填充碳纤维增强树脂复合材料薄壁管的压缩变形行为与吸能特性

将填加造孔剂法制备的泡沫铝物理嵌入碳纤维增强树脂(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)复合材料薄壁管中,从而获得泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的复合结构。针对CFRP薄壁管、泡沫铝和泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管分别开展准静态压缩试验测试其压缩和吸能性能,并在压缩过程中采用数字图像相关技术(Digital image correlation,DIC)同步分析其变形模式;进一步研究在不同环境温度下(25~150℃)泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的压缩与吸能性能及失效模式。结果表明:泡沫铝作为填充芯材改变了CFRP复合材料薄壁管的压缩变形行为,由单一CFRP复合材料薄壁管的散射开花失效转变为泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的纤维层断裂失效。同CFRP复合材料薄壁管相比,泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的应力波动显著减小。随环境温度的升高,CFRP复合材料薄壁管、泡沫铝和泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的压缩与吸能性能均不断降低,但泡沫铝与CFRP复合材料薄壁管之间的交互作用增强,泡沫铝对CFRP复合材料薄壁管的增强作用在高温下表现更为显著。      

Bending behavior of aluminum foam-filled double cylindrical tubes

Quasi-static experiments and numerical simulations are carried out to study three-point bending behavior of a new kind of structures, i.e., double cylindrical tubes filled with closed-cell aluminum foam. The deformation and failure mechanism of this new structure were observed and analyzed numerically using the finite element method. It is revealed that the stress distribution and fracture of the foam-filled double-tube structure are different from those of an empty tube and foam-filled single tube. Two cracks were found experimentally, and both experiments and numerical simulation show that cracks initiated in the aluminum foam. In comparison with empty and foam-filled single tubes, the load-carrying capacity of this new structure is much steadier, the bending resistance is enhanced, and the weight efficiency of energy absorption is higher. Parameters affecting the performance of the foam-filled double-tube structures are also studied.     

玻璃钢纤维增强塑料薄壁管抗冲击性能的实验研究

本文采用分离式Hopkinson压杆（SHPB）实验系统,研究了玻璃钢纤维增强塑料（GFRP）薄壁管在低速冲击载荷作用下的抗冲击性能,探讨了薄壁管的截面形状和壁厚对其冲击破坏模式、动态应力-应变曲线和比吸能值（S_EA）的影响。实验结果表明：GFRP圆管的动态切线模量较方管的大,同壁厚的圆管的抗冲击性能较方管好;方管随壁厚的适当增加,抗冲击性能也增加。通过综合分析抗冲击性能评价参数,发现GFRP方管的吸能性能较圆管的好,且随壁厚的略微增加,吸能性能增强。与铝合金圆管相比,在相同实验条件下,GFRP圆管的动态压缩模量和冲击应力峰值较铝合金圆管大,峰值应变值较铝合金圆管小,比吸能值较铝合金圆管的大,GFRP管的抗冲击性能也较铝合金圆管好。其结果可为GFRP管类结构的优化设计及工程应用提供基础实验数据和给予理论指导。     

Dynamic bending response of double cylindrical tubes filled with aluminum foam

The dynamic three-point bending behavior of double cylindrical tubes filled with closed-cell aluminum foam core was studied experimentally and numerically. It is found that the deformation mode of this new structure under impact loading is different to that under quasi-static loading. The load carrying capacity of the structure subjected to impact remains at the level of that in the quasi-static situation. Compared with traditional foam-filled single tubes, the specific energy absorption efficiency of this new structure is much higher, and that of both foam-filled structures in the dynamic situation are higher than that in static situation. A preliminary experimental study on the effect of profiles and span of the structure were performed, and the result shows that these parameters affect the structure together. Numerical simulation of the bending behavior was also executed with the explicit finite element method. The mechanism of the dynamic response is revealed by comparison of the maximum strain history in the simulation.     

Crushing response of foam-filled conical tubes under quasi-static axial loading

Foam-filled thin-walled tubes are considered to be desirable energy absorbers under axial loading due to their higher energy absorption compared with empty tubes. This paper treats the axial crushing and energy absorption response of foam-filled conical tubes under quasi-static axial loading, using non-linear finite element models. Influence of important parameters such as wall thickness, semi-apical angle and density of foam filler was investigated and the results highlight the advantages of using foam-filled conical tubes as energy absorber. Results also indicate that the crush and energy absorption performances of conical tubes are significantly enhanced by foam filling. The primary outcome of the study is new research information and development of empirical relations which will facilitate the design of foam-filled conical tubes as energy absorbers in impact applications.     

泡沫填充夹芯墙多胞结构的耐撞性多目标优化设计

泡沫填充管由于其优秀的能量吸收性能引起越来越多的关注。根据对丝瓜结构的研究,提出一种与丝瓜横截面类似的泡沫填充夹芯墙多胞结构。基于非线性有限元软件LS-DYNA,建立此种泡沫填充夹芯墙多胞结构的轴压分析有限元模型。基于多项式代理模型,采用多目标粒子群优化算法对不同截面形状的多胞结构进行了优化设计。根据优化结果对不同结构的选择给出指导性意见,使结构在满足峰值力限制的情况下拥有最好的吸能特性。本文提出的新型结构在车辆工程及航空航天等领域具有很好的应用前景。     

碳纤维-玻璃纤维混杂增强环氧树脂三维编织复合材料薄壁圆管压溃吸能特性与损伤机制

基于三维编织成型及真空辅助树脂传递成型技术,制备了编织纱和轴纱不同混杂方式(编织纱/轴纱:碳纤维-碳纤维(CF-CF)、碳纤维-玻璃纤维(CF-GF);玻璃纤维-碳纤维(GF-CF))增强环氧树脂(EP)的三类三维编织复合材料薄壁圆管,通过准静态轴向压溃及详细的破坏断面观察,研究了纤维混杂方式对薄壁圆管的能量吸收性能和破坏模式的影响。研究发现:CF-CF/EP样品的比能量吸收值分别比GF-CF/EP大36%,比CF-GF/EP大12%。编织纱为碳纤维时(CF-CF/EP及CF-GF/EP),圆管的破坏模式均为折叠破坏模式,编织纱采用碳纤维能有效地遏制中央裂纹的轴向扩展,折叠变形的三维结构内部发生了较多细小的微观破坏。而编织纱为玻璃纤维的GF-CF/EP,破坏模式则为开花内外弯曲式,中央裂纹产生,三维结构呈现分层并向圆管内外弯曲。      

面向星球探测的高速撞击穿透器缓冲防护设计与仿真分析

高速撞击穿透器以碰撞的方式嵌入天体内部,由于其着陆速度大,碰撞产生的过载严重,为了保证科学载荷在碰撞后能正常工作并且足够灵敏,必须对其进行减振防护。该研究对穿透器的减振结构进行设计,采用非线性有限元技术对穿透器的侵彻过程进行仿真分析,确定了穿透器的着陆速度,并研究了主要减振结构,即泡沫填充铝薄壁管,在碰撞载荷作用下的动态响应和能量吸收问题。从分析结果看,泡沫铝填充薄壁管在隔冲效率和能量吸收方面有较好的效果。