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泡沫铝夹芯双管结构的力学行为研究

郭刘伟  
【摘要】: 薄壁管结构作为缓冲吸能构件在交通及航天等领域有着广泛的应用前景。泡沫铝填充薄壁管作为改进结构,提高了结构的承载力及吸能特性,且其轻质特点对减小能耗,降低大气污染方面有着重要作用。而目前的泡沫铝填充圆管结构在轴压加载下,能量吸收效率低下,不及空管结构,在弯曲作用下,填充结构均易发生断裂失效,严重影响到结构的能量吸收效率,且更为实际的弯曲、压缩同时作用下填充管结构的行为研究甚少。故本文针对目前填充管结构的缺点,优化设计泡沫铝填充管的结构构型,对新型的双管夹芯结构在纯轴压、三点弯曲及弯压共同作用下的性能进行了系统的实验及有关数值模拟研究,具体内容如下: 1)对于更为轻质的泡沫铝填充铝合金双方管结构的准静态轴压性能进行了实验研究,对比空管及传统的单管夹芯结构,给出各种结构的不同变形模式。新型的双管夹芯结构可发生两种变形模式,均较单管夹芯结构稳定。详细对比了各结构间的承载力及吸能效率等特性。结果表明,新型的双管夹芯结构的能量吸收效率高于传统的泡沫铝填充单管及空管结构,且新型结构在四角撕裂模式下的能量吸收效率高于周期折叠模式。同时研究了内管壁厚对双方管夹芯结构轴压性能的影响。最后利用泡沫铝填充管结构中芯层泡沫铝的变形特点,去除了利用效率不高的部分泡沫铝,提出一种更优化的改进结构:四角填充双方管结构,并对其变形模式及相关性能进行了分析讨论。该改进结构的变形更为稳定,能量吸收效率更高。 2)针对研究尚缺乏的泡沫铝夹芯铝合金双方管结构的三点弯曲性能进行了准静态实验研究。对比空管、传统的泡沫铝夹芯单管结构,研究了该新型结构在三点弯曲下的承载力、破坏抗性及能量吸收能力等特性。双管夹芯结构增强了结构的破坏抗性,大大提高了结构破坏前的能量吸收能力。探讨了双方管夹芯结构的破坏模式,内管壁厚不同,双管夹芯结构的破坏模式有所改变。且就结构跨径、内管壁厚等参数对双方管夹芯结构弯曲性能的影响开展了一定的实验研究。同时对内外管与芯层间的胶合作用进行了分析讨论。结果发现,胶合作用提高了结构的抗弯刚度,但同时降低了结构的弯曲破坏抗性,导致结构的能量吸收能力减弱。实验中对管壁的材料性质也进行了对比研究,同时开展了不锈钢夹芯管的实验,并对两种材质的夹芯管结构的弯曲性能进行了比较。 3)就目前尚未研究的泡沫铝夹芯铝合金双圆管结构的纯轴压及各小角度斜压下的性能进行了详尽的实验研究。首先对泡沫铝夹芯双圆管在纯轴压加载下的内外管变形特征进行了分析讨论,双管夹芯结构中内管更易发生金刚石模式,但内外管的不同组合同时影响着内管的变形模式。对比空管、泡沫铝夹芯单管结构,给出双管夹芯结构变形的机制解释。且优化组合的双管夹芯结构的承载力及能量吸收效率远远高于传统的单管夹芯结构,接近甚至超过空管结构。探讨了内管壁厚、管径及外管壁厚等对该新型夹芯结构性能的影响。针对斜压特点,设计出一套用于准静态实验的斜压实验装置,并成功地开展了泡沫铝夹芯双圆管结构在各种小角度斜压加载下的实验研究。对比轴压性能,给出空管、传统的泡沫铝填充单管及新型的双管夹芯结构在各种小角度斜压加载下的变形模式。在小角度斜压加载下,泡沫铝填充管结构发生一种特殊的上下双半瓣对称混合模式,并易发生横向滑移变形,从而导致了泡沫铝夹芯结构在小角度斜压加载下的承载力非常平稳,承载后期接近理想承载结构,且平均承载力大小基本保持不变。实验结果表明,该新型双管夹芯结构在两端固支加载下,其比质量能量吸收效率远远高于传统的单管夹芯结构,且超过相应的空管,同时实现了提高承载力大小,增强承载稳定性及提升结构的能量吸收效率的综合目标。并就斜压加载角度对各种结构性能的影响进行了实验研究。 4)对新型的泡沫铝夹芯双圆管结构在准静态三点弯曲加载下的性能进行了实验及有限元模拟研究。不同与单管填充结构的单裂纹失效,双管夹芯结构在三点弯曲下出现特殊的双裂纹破坏模式。且新型结构的破坏抗性大大高于传统的单管夹芯结构,能量吸收能力得到大幅提升。在合理的内外管组合下,双管夹芯结构的承载力相当平稳,非常适合做缓冲吸能装置。同时就跨径、内管壁厚、管径及外管壁厚对双管夹芯结构三点弯曲性能的影响进行了一定的实验研究。利用ABAQUS有限元软件建立双管夹芯结构三点弯曲下的有效模型,通过分析芯层泡沫铝的应力分布给出新型结构特有破坏模式的产生机制。且由对外管管壁下端等效塑性应变及最大拉伸应变的讨论,发现最大拉伸应变可作为外管管壁断裂失效的评判参量。探讨了双管夹芯结构较单管结构弯曲破坏抗性提升的机制,并给出一定的解释。最后综合结构的承载力特性及破坏抗性,给出综合性能较优的内外管管径比。 5)对新型的泡沫铝夹芯双圆管结构在动态冲击下的三点弯曲性能进行了落锤冲击实验及有限元模拟研究。不同于准静态下的失效模式,双管夹芯结构在动态冲击下芯层泡沫铝下端出现多裂纹现象,且较均匀分布于中间区域,有利于泡沫铝吸收更多的冲击能量。且泡沫铝填充结构在低速冲击下的惯性效应并不明显,承载力大小与准静态结果相差不多。但动态冲击下结构的破坏抗性较准静态结果大幅提高,泡沫铝填充结构在动态下的能量吸收能力远远高于准静态结果。而对比传统的泡沫铝填充单管结构,该新型夹芯结构的破坏抗性及能量吸收效率更高,承载力也较稳定,更适合作为承载缓冲结构。且就跨径、外管壁厚等因素对新型结构性能的影响进行了讨论。最后在有限元模型中分别分析了低速冲击下新型结构特有破坏模式产生的机制、弯曲破坏抗性提高的机理及动态冲击下与准静态结果差别产生的原因。


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