為揭示泡沫鋁填充復(fù)合材料的力學(xué)行為,本文以泡沫鋁填充鋼/鋁復(fù)合管（Al-Foam filled clad tube,簡(jiǎn)稱AlFFCT）為研究對(duì)象,采用多孔泡沫材料Crushable-foam本構(gòu)模型,在ABAQUS平臺(tái)上模擬分析了泡沫鋁孔隙率、高徑比、徑厚比、界面結(jié)合狀態(tài)和復(fù)合管層厚比等材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)AI-FFTC吸能特性的影響。結(jié)果表明:泡沫鋁孔隙率低于90%時(shí),Al-FFCT的沖擊屈曲模態(tài)均為軸對(duì)稱變形,與結(jié)構(gòu)參數(shù)無(wú)關(guān);泡沫鋁與復(fù)合管以及復(fù)合管組元間界面結(jié)合狀態(tài)和層厚比對(duì)結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)性和整體的抗沖擊能力具有顯著影響,可通過(guò)上述多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的組合匹配,實(shí)現(xiàn)綜合吸能特性的柔性定制,比傳統(tǒng)的泡沫鋁填充管具有更大的設(shè)計(jì)空間,為汽車保險(xiǎn)杠、吸能盒等緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的輕量化材料。 

【文章來(lái)源】：哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào). 2017,38(07)北大核心EICSCD

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泡沫鋁填充管加載有限元模型

etersforFEmodel參數(shù)取值鋼/鋁復(fù)合管層厚比i0，0.1～1，∞填充泡沫鋁孔隙率ρv60%，70%，80%，90%鋼/鋁復(fù)合管高徑比h/Ｒ1，1.5，2，2.5，3鋼/鋁復(fù)合管徑厚比Ｒ/e13，26，39，52結(jié)合狀態(tài)普通接觸、組元粘接結(jié)合表1中，層厚比i為鋼層與鋁層的厚度比值，i=0表示鋁管、i=∞表示鋼管;Ｒ為復(fù)合填充管半徑;h為復(fù)合填充管高度;e為復(fù)合管壁厚。1.2材料模型泡沫鋁材料計(jì)算模型采用ABAQUS軟件內(nèi)置材料模型Crushablefoam，其性能參數(shù)見(jiàn)表2。采用Isotropic各向同性強(qiáng)化準(zhǔn)則，其屈服面為在p-q平面內(nèi)中心在原點(diǎn)的橢圓(見(jiàn)圖2)。表2有限元材料性能參數(shù)Table2MaterialparametersforFEmodel材料Ρ/(g·cm－3)E/MPaνσs/MPa泡沫鋁孔隙率60%1.080357.75014.65孔隙率70%0.810278.5108.34孔隙率80%0.56725306.29孔隙率90%0.39385.302.15304不銹鋼7.852000000.32156063鋁合金2.7700000.3153圖2各向同性強(qiáng)化可擠壓泡沫材料模型Fig．2Crushablefoammodelwithisotropichardening單軸壓縮初始屈服應(yīng)力與三向均勻壓縮初始屈服應(yīng)力比值σ0c/p0c及單軸壓縮橫向與縱向塑性應(yīng)變比值可決定材料初始屈服行為。對(duì)于本文研究的低密度泡沫材料，分別設(shè)置為1.732和0。為準(zhǔn)確顯示薄壁管的屈曲模態(tài)和作用方式，薄壁管采用Con-ventionalshell單元，并設(shè)置接觸判斷為Generalcon-tact，以保證實(shí)體單元與殼單元正確接觸。泡沫鋁Crushablefoam模型引入硬化準(zhǔn)則，其不同孔隙率泡沫鋁的屈服強(qiáng)度和塑性應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。外壁管的材料分別選擇6063鋁合金、304不銹鋼，材料參數(shù)詳見(jiàn)表2及參考文獻(xiàn)［13－14］。研究表明，泡沫鋁應(yīng)變速率效應(yīng)在高孔隙率時(shí)主要受基體影響，對(duì)于高孔隙率泡沫鋁(孔隙率大于70%)，實(shí)際應(yīng)用中可不必考

第7期王巍，等:泡沫鋁填充鋼/鋁復(fù)合管軸向抗沖擊吸能特性模擬研究敏感性問(wèn)題［15］。圖3泡沫鋁應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig．3Stress-straincurveoffoamaluminum2Al-FFCT變形模態(tài)及吸能特性有限元分析2.1泡沫鋁孔隙率對(duì)變形模態(tài)和吸能特性的影響采用單變量原則，選定泡沫鋁孔隙率ρv依次為60%、70%、80%、90%，其余參數(shù)如下:層厚比i=1、高徑比Ｒ/h=2、徑厚比Ｒ/e=13，復(fù)合形式為普通接觸形式。圖4分別給出了不同孔隙率下的變形模態(tài)圖和沖擊載荷與吸能特性的對(duì)比結(jié)果。由圖4可知，當(dāng)孔隙率從60%逐漸增大到80%時(shí)(圖4(a)～(c))，Al-FFCT整體變形模態(tài)一致，均為軸對(duì)稱屈曲模態(tài)，且褶皺形式一致;但當(dāng)孔隙率增大到90%時(shí)，Al-FFCT屈曲模態(tài)由軸對(duì)稱形式轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)渡金剛石屈曲模態(tài)(圖4(d))�？梢�(jiàn)，當(dāng)孔隙率較低時(shí)，泡沫鋁對(duì)外層復(fù)合管支撐效果明顯，Al-FFCT受沖擊后為軸對(duì)稱屈曲。但隨著泡沫鋁孔隙率的增大，其整體剛度降低，對(duì)外層復(fù)合管的限制降低，整體轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)渡模態(tài)。綜合沖擊力曲線(圖4(e))和沖擊吸能曲線(圖4(f))可知，泡沫鋁孔隙率越小，其剛度越大，對(duì)Al-FFCT的限制和吸能效果也越明顯;但當(dāng)孔隙率為90%時(shí)，Al-FFCT的整體抗沖擊力在壓縮后期低于穩(wěn)定平臺(tái)，且最大壓縮位移降低，不利于整體吸能效果的提升。綜上可知，在合適的范圍內(nèi)選擇孔隙率較低的泡沫鋁，既能增加整體吸能效果，又能改變和保證復(fù)合圓管的屈曲模態(tài)和吸能效果，具有重要的實(shí)際意義。以下研究將以70%泡沫鋁為對(duì)象開展。圖4泡沫鋁孔隙率與Al-FFCT變形模態(tài)和抗沖擊特性的關(guān)系Fig．4Therelationbetweenaluminumformporosityandthedeformationmodeandimpact-resistancepropertyofAl-FFCT2.2高徑比對(duì)變形模態(tài)和抗沖擊特性的影響取高徑比h/Ｒ分別為1、1.5、2、2.5，?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
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