泡沫鋁填充薄壁方形鋁管的靜態(tài)彎曲崩毀行為

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1、第26卷第3期固體力學(xué)學(xué)報(bào)Vol.26No.32005年9月ACTAMECHANICASOLIDASINICASeptember2005泡沫鋁填充薄壁方形鋁管的3靜態(tài)彎曲崩毀行為許坤寇東鵬王二恒虞吉林(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥,230027)摘要研究了泡沫鋁填充的方形鋁管的準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲行為.實(shí)驗(yàn)表明:泡沫鋁填充有效地改變了鋁管的局部崩毀變形模式;界面粘接提高了填充結(jié)構(gòu)的抗彎剛度,但使結(jié)構(gòu)易在較小轉(zhuǎn)角下發(fā)生破壞.最后,基于實(shí)驗(yàn)提出了一個(gè)分析填充結(jié)構(gòu)彎曲崩塌行為的理論方

2、法,在小轉(zhuǎn)角下給出了與實(shí)驗(yàn)相當(dāng)吻合的結(jié)果.關(guān)鍵詞泡沫鋁,薄壁方管,泡沫填充,彎曲崩毀行為0引言彎剛度的影響,發(fā)現(xiàn)填充物對(duì)管壁的支持抑制了受壓側(cè)結(jié)構(gòu)的崩塌,從而改善了結(jié)構(gòu)的承載能力和吸在過去20年里,研究人員做了大量的工作研究能效率.他們還研究了局部填充的泡沫鋁填充構(gòu)件薄壁構(gòu)件軸向壓縮的崩塌機(jī)制.然而,除了軸向漸進(jìn)在沖擊載荷下的抗彎剛度,給出了局部填充結(jié)構(gòu)的[6]折疊,多數(shù)實(shí)際撞擊還涉及到構(gòu)件的彎曲崩塌失效.有效填充長度.Hall等研究了泡沫鋁填充的圓形最初的棱柱結(jié)構(gòu)彎曲崩塌的詳盡研究是由鋁、鋼、鈦管的橫

3、向和縱向壓縮行為,發(fā)現(xiàn)橫向壓縮[1]Kecman在1983年完成的.他從實(shí)驗(yàn)和理論上研后的泡沫鋁有明顯的側(cè)面變形,填充結(jié)構(gòu)的橫向壓究了矩形薄壁管的彎曲崩塌性能,提出了包含靜止縮能量改善優(yōu)于縱向壓縮.Hanssen和Hopperstad和移動(dòng)塑性鉸線的簡單失效機(jī)制,計(jì)算了包括后屈[7]等進(jìn)行了泡沫鋁填充方形鋁管彎曲性能的實(shí)驗(yàn)曲大轉(zhuǎn)角情況下的力矩和轉(zhuǎn)角關(guān)系.Wierzbicki研究,并給出了簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.[2,3]等將最初應(yīng)用于軸向加載結(jié)構(gòu)的超折疊單元的本文通過對(duì)30個(gè)試件的實(shí)驗(yàn)測(cè)試來研究泡沫概念擴(kuò)展

4、到了彎曲和彎曲/壓縮組合加載的情形,推鋁填充方管的靜態(tài)彎曲崩毀行為,涉及到的參數(shù)包導(dǎo)出了彎曲大變形情況下力矩和轉(zhuǎn)角特性的封閉括方管厚度、泡沫鋁密度以及界面粘接條件,最后給解.出的理論分析方法可以作為評(píng)價(jià)小轉(zhuǎn)角時(shí)未粘膠泡為了獲得更高的單位質(zhì)量能量吸收率,引入蜂沫鋁填充方管抗彎性能的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.窩或泡沫金屬等超輕材料作為薄壁空心結(jié)構(gòu)內(nèi)填充物的想法引起了廣泛的研究興趣.泡沫鋁作為一種1實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)裝置新型多功能工程材料,以其低密度、高的比剛度和比強(qiáng)度以及良好的吸能、隔音、絕熱性能,在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的填充中顯示出光明

5、的前景,受到了越來越多的關(guān)實(shí)驗(yàn)中所用方形鋁管材料為AA6063T5,截面注.近年來,人們對(duì)以泡沫鋁為內(nèi)填充物的梁、管、殼外尺寸b為25.4mm,壁厚t分別為0.4mm、0.9mm等復(fù)合結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)破壞行為和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化已做和1.2mm.管壁材料的拉伸曲線如圖1,彈性模量了較多研究,但這些研究多為吸能裝置的軸向壓縮Ec為66.4GPa,特征應(yīng)力σ0取為屈服應(yīng)力σy和斷行為分析,對(duì)于結(jié)構(gòu)彎曲崩毀力學(xué)行為的研究還較裂應(yīng)力σu的平均值.實(shí)驗(yàn)選用淮北虹波泡沫金屬材[4,5]料廠提供的基體為純鋁(密度ρ=2.7g/

6、cm3)、密度少.Santosa和Wierzbicki等通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模s3擬研究了泡沫鋁填充對(duì)薄壁不銹鋼管結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)抗ρf分別為0.24g/cm(平均胞孔尺寸324mm)和密3國家自然科學(xué)基金(90205003,10072059)資助.2004204226收到第1稿,2004211218收到修改稿.·262·固體力學(xué)學(xué)報(bào)2005年第26卷3度0.40g/cm(平均胞孔尺寸122mm)的兩種閉孔泡沫鋁.泡沫鋁壓縮曲線如圖2所示,彈性模量Ef2泡沫鋁填充方形鋁管的準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲分別為0.23GPa和0.6

7、GPa,平臺(tái)應(yīng)力σf分別為1.測(cè)試5MPa和4.7MPa.泡沫鋁與鋁管間留有少量空隙,使泡沫鋁能夠在管中滑動(dòng).從三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)的載荷2位移數(shù)據(jù)可以推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)的彎矩2轉(zhuǎn)角關(guān)系.如果忽略壓頭與方管間摩擦力的影響,彎矩和轉(zhuǎn)角可以近似用以下公式計(jì)算PLM=(1)42δθ=2arctan(2)L其中P和δ分別為壓頭處載荷和位移.2.1空心薄壁方形鋁管圖3是空心薄壁方形鋁管三點(diǎn)彎曲的最終的變形狀態(tài)和受載的彎矩2轉(zhuǎn)角曲線.變形初始狀態(tài),彎矩值急劇上升,隨著加載點(diǎn)附近局部褶皺的出現(xiàn),進(jìn)圖1管壁鋁合金材料的拉伸應(yīng)力2應(yīng)變曲

8、線一步彎曲所需的彎矩值減小,當(dāng)彎曲到一定程度,壓頭兩側(cè)的褶皺相互擠壓在一起,致使彎矩值略有上升.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),薄壁管的彎曲變形主要集中在局部的塑性鉸處,而其它部分則發(fā)生剛性旋轉(zhuǎn),局部結(jié)構(gòu)的塑性變形導(dǎo)致抗彎剛度的明顯下降.由圖亦可見實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性很好.圖2閉孔泡沫鋁的壓縮應(yīng)力2應(yīng)變曲線表1實(shí)驗(yàn)測(cè)試試件參數(shù)截面形狀加載形式管壁厚度泡沫鋁密度界面粘接t1=0.4mm—Unbonded3方形靜態(tài)t2=0.9mmρ1=0.24g/cm3bondedt3=1