側(cè)向載荷下泡沫鋁填充薄壁金屬圓管的變形與吸能特性.pdf

1、薄壁金屬管結(jié)構(gòu)是最常見、最有效的一種吸能元件，已廣泛應(yīng)用于汽車、軌道交通、飛機(jī)和輪船等幾乎所有交通工具以及國(guó)防軍備裝置等的碰撞能量緩沖系統(tǒng)當(dāng)中。當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，金屬薄壁元件以不同的模式發(fā)生塑性變形來耗散或吸收沖擊能量。典型的多孔材料如泡沫鋁具有密度小、比吸能高和抗沖擊性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但由于其自身抗拉、壓、彎、扭等載荷的能力較差，因而應(yīng)用在工程領(lǐng)域時(shí)受到一定的限制。將二者組合成填充結(jié)構(gòu)或夾芯結(jié)構(gòu)，是一種理想的、高效的能量吸收構(gòu)件。本文以泡沫鋁

2、填充圓管為研究對(duì)象，通過理論、實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬的方法對(duì)側(cè)向準(zhǔn)靜態(tài)載荷和沖擊載荷作用下金屬薄壁圓管和泡沫鋁填充管的變形模式、承載能力和能量吸收特性進(jìn)行了的研究。主要工作如下：
　　基于能量的方法，假定泡沫鋁填充圓管在側(cè)向載荷作用下的吸能由金屬薄壁圓管和泡沫鋁圓柱兩部分的吸能組成，建立了預(yù)測(cè)泡沫鋁填充管在側(cè)向壓縮時(shí)的瞬時(shí)側(cè)向力、平均側(cè)向力和能量吸收的理論公式。與金屬薄壁圓管及泡沫鋁填充管的準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)向壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明

3、側(cè)向力與總吸能的理論預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，從而驗(yàn)證了理論模型的合理性。利用建立的理論公式研究了金屬薄壁圓管的幾何尺寸與泡沫鋁材料的力學(xué)性能對(duì)金屬薄壁圓管與泡沫鋁填充圓管的側(cè)向力、平均側(cè)向力和總吸能的影響，結(jié)果表明泡沫鋁填充圓管在準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)向壓縮載荷作用下，其瞬時(shí)側(cè)向力、平均側(cè)向力和總吸能均高于金屬薄壁圓管；泡沫鋁填充管的側(cè)向壓縮力和總吸能隨管長(zhǎng)度、壁厚和直徑的增加而增大；當(dāng)填充材料泡沫鋁密度增大時(shí)，填充管的總吸能與側(cè)向壓縮力增加。

4、r>　　研究了泡沫鋁填充薄壁金屬圓管在側(cè)向沖擊載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)。利用有限元軟件 LS-DYNA對(duì)薄壁金屬圓管和泡沫鋁填充管受側(cè)向沖擊載荷進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了有限元模型的合理性與計(jì)算結(jié)果的精確性。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地分析了薄壁金屬圓管與泡沫填充管的長(zhǎng)度、直徑、壁厚、泡沫鋁的密度、沖擊速度等因素對(duì)其變形規(guī)律與吸能特性的影響。在側(cè)向沖擊載荷作用下泡沫鋁填充管的壓潰可以分為三個(gè)階段，初始碰撞階段、塑性變形