劉志芳， 王軍， 秦慶華

(1.太原理工大學(xué) 應(yīng)用力學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程研究所， 山西 太原 030024；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710049)

橫向沖擊載荷下泡沫鋁夾芯雙圓管的吸能研究

劉志芳1， 王軍1， 秦慶華2

(1.太原理工大學(xué) 應(yīng)用力學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程研究所， 山西 太原 030024；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710049)

采用數(shù)值模擬的方法研究了在橫向沖擊載荷作用下，泡沫鋁夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)的變形模態(tài)與吸能性能。分析了泡沫鋁夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)、芯層材料的相對(duì)密度與沖擊速度對(duì)其力學(xué)行為的影響。結(jié)果表明：沖擊初始時(shí)刻，夾芯雙圓管的沖擊端由于塑性變形而吸收了大部分能量，之后主要依靠左右兩端的彎曲變形來(lái)吸收能量；橫向沖擊載荷作用下，泡沫鋁夾芯雙圓管的比吸能隨著外管直徑與內(nèi)管壁厚的增加或者泡沫鋁芯層厚度的增加而增加；而隨著外管壁厚與內(nèi)管直徑的增加，泡沫鋁夾芯雙圓管的比吸能減??；沖擊速度小于30 m/s時(shí)，夾芯雙圓管呈上下、左右對(duì)稱的變形模態(tài)；大于此速度時(shí)，呈左右對(duì)稱的變形模態(tài)，夾芯雙圓管的比吸能隨著沖擊速度的增大而增大；芯層材料的相對(duì)密度越大，夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)的比吸能也越大。

固體力學(xué)；雙圓管； 泡沫鋁； 橫向沖擊載荷； 比吸能

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)動(dòng)車輛的數(shù)量越來(lái)越多，速度也越來(lái)越快，隨之而來(lái)的交通事故對(duì)人類和環(huán)境的破壞也越來(lái)越大，這使得被動(dòng)式安全吸能裝置設(shè)計(jì)方面的研究成為了重要課題。20世紀(jì)60年代以來(lái)，由于管狀結(jié)構(gòu)生產(chǎn)方便、低成本和在沖擊載荷作用下良好的吸能特性，引起了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[1-3]。

管狀結(jié)構(gòu)在吸能緩沖方面的研究從單管發(fā)展到夾芯雙管結(jié)構(gòu)。Fan等[4]研究了動(dòng)態(tài)側(cè)向載荷作用下薄壁金屬圓管的力學(xué)響應(yīng)，結(jié)果表明動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下圓管能量耗散主要通過(guò)沿環(huán)向移動(dòng)的塑性鉸實(shí)現(xiàn)。為進(jìn)一步提高管狀結(jié)構(gòu)的吸能效率，基于金屬泡沫材料相對(duì)于傳統(tǒng)材料具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、高比剛度和優(yōu)異的吸能等特點(diǎn)，金屬泡沫填充管引起了研究者們的關(guān)注。Hall等[5]首先對(duì)泡沫金屬鋁、銅和鈦填充管在橫向沖擊載荷下的吸能進(jìn)行了研究，泡沫鋁填充管表現(xiàn)出最好的吸能效果。Fan等[4]與Shen等[6]對(duì)鋁泡沫填充的薄壁雙圓管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了橫向壓扁的實(shí)驗(yàn)研究，觀察到3種不同的壓潰模態(tài)，得到了漸進(jìn)的倒塌過(guò)程和載荷- 位移曲線。數(shù)值模擬了泡沫填充管的漸進(jìn)坍塌過(guò)程，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。研究結(jié)果表明，泡沫填充的三明治管的能量吸收能力比單獨(dú)的內(nèi)管、外管與泡沫芯層吸能的總和大。Niknejad等[7]對(duì)軟木填充的復(fù)合材料管進(jìn)行了側(cè)向壓入實(shí)驗(yàn)研究。在研究夾芯管吸能性能的同時(shí)，其他截面形狀的夾芯結(jié)構(gòu)的吸能性能也引起了研究者們的關(guān)注，主要包括矩形截面長(zhǎng)方體管[8]、矩形截面四棱錐管[9]、圓錐截面管[10]、多邊形截面管[11]、橢圓截面管[12]。另外，Olabi等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了圓管嵌套系統(tǒng)在低速側(cè)向沖擊下的力學(xué)行為，并對(duì)嵌套系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。Baroutaji等[14]利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理、響應(yīng)面法和多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方法對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)向壓縮的泡沫鋁夾芯圓管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

綜上所述，與金屬薄壁管相比，多孔材料夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)結(jié)合了多孔材料與薄壁管的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以獲得較高的承載能力，而且具有良好的吸能性能。已有的研究主要集中于壓縮載荷作用下夾芯雙圓管變形與吸能性能的研究，而沖擊載荷作用下泡沫鋁填充管的研究較為少見(jiàn)。作為緩沖吸能的結(jié)構(gòu)元件，大多數(shù)情況下要承受各種沖擊載荷作用，因此本文開(kāi)展了橫向沖擊載荷作用下泡沫鋁夾芯雙圓管的變形與吸能特性的研究。利用非線性有限元軟件LS-DYNA建立了夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)的有限元模型，并與文獻(xiàn)[4]中已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，從而驗(yàn)證了有限元模型的合理性與可行性?；诮⒌挠邢拊Ｐ头治隽伺菽X夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，如外管、內(nèi)管的直徑與壁厚等因素對(duì)結(jié)構(gòu)的抗沖擊性與耐撞性的影響；研究了不同沖擊速度對(duì)夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為與能量分配機(jī)理的影響；并分析了芯層材料泡沫鋁的相對(duì)密度對(duì)結(jié)構(gòu)沖擊載荷和比吸能的影響。

1 有限元仿真

1.1 有限元模型

采用有限元軟件LS-DYNA對(duì)泡沫鋁夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)在橫向沖擊載荷作用下的變形模態(tài)與吸能機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬。泡沫鋁夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)由內(nèi)、外兩個(gè)同心薄壁金屬圓管和泡沫鋁芯層3部分組成，如圖1所示。內(nèi)、外兩個(gè)薄壁金屬圓管的材料鋁合金AA6061-T5對(duì)應(yīng)變率效應(yīng)不敏感，因此可以忽略應(yīng)變率的影響[4]。芯層材料采用閉孔泡沫鋁。圖1中，外圓管的直徑為D，壁厚為H，內(nèi)圓管的直徑為d，壁厚為h，長(zhǎng)度為L(zhǎng). 內(nèi)、外兩個(gè)薄壁金屬圓管采用4節(jié)點(diǎn)SHELL163單元，沿厚度方向采用5個(gè)積分點(diǎn)，泡沫鋁芯層采用8節(jié)點(diǎn)SOLID164單元。建立的有限元模型如圖2所示，泡沫鋁夾芯雙圓管橫向放置在底端完全固定的剛性平板上，上部受沖擊速度為v的剛性平板沖擊。泡沫鋁夾芯雙圓管與上下剛板之間采用自動(dòng)面面接觸(CONTACT_ AUTOMATIC_SURFACE_ TO_SURFACE)，泡沫鋁芯層與內(nèi)管、外管之間約束采用固- 連面面接觸(CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE)，動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.1.

圖1 泡沫鋁夾芯雙圓管示意圖Fig.1 Schematic diagram of aluminum foam-filled double circular tube

圖2 泡沫鋁夾芯雙圓管有限元模型Fig.2 Finite element model of aluminum foam-filled double circular tube

1.2 材料屬性

在有限元分析中，上剛板、下剛板采用MAT_RIGID材料模型。內(nèi)、外兩個(gè)薄壁金屬圓管的材料采用雙線性應(yīng)變強(qiáng)化彈塑性模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)，芯層材料泡沫鋁采用可壓縮泡沫材料模型(*MAT_CRUSHABLE_FOAM)[15]，具體的材料參數(shù)如表1、表2所示。模擬分析中考慮了不同幾何尺寸的泡沫鋁夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)，4種相對(duì)密度分別為8%、9%、12%和20%的泡沫鋁芯層材料，共研究了15種不同幾何參數(shù)的夾芯雙圓管試件，詳細(xì)參數(shù)如表3所示。圖3給出了相對(duì)密度分別為8%、12%和20%的泡沫鋁工程應(yīng)力- 應(yīng)變曲線，其中相對(duì)密度為9%的泡沫鋁材料應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系由文獻(xiàn)[4]給出。

表1 內(nèi)外圓管的材料參數(shù)

1.3 有限元模型驗(yàn)證

表2 泡沫鋁的材料參數(shù)

表3 試件的幾何參數(shù)

圖3 泡沫鋁材料的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of aluminum foam material

為了驗(yàn)證建立的有限元模型的可靠性與合理性，與文獻(xiàn)[4]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。泡沫鋁夾芯雙圓管試件的幾何尺寸如下：外管直徑D=99.61 mm，壁厚H=1.89 mm，內(nèi)管直徑d=59.76 mm，壁厚h=1.86 mm，試件長(zhǎng)度L=50 mm. 數(shù)值模擬了沖擊速度為10 m/s時(shí)泡沫鋁夾芯雙圓管試件的變形過(guò)程，并給出了沖擊載荷隨位移的變化規(guī)律，如圖4所示。由圖4可知，試件數(shù)值模擬的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，從而驗(yàn)證了有限元模型的合理性與可行性。

圖4 模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比Fig.4 Comparison of simulated and experimental results

2 仿真結(jié)果與分析

能量吸收裝置主要是通過(guò)碰撞過(guò)程中結(jié)構(gòu)的塑性變形與失效而耗散大量的能量來(lái)吸收碰撞動(dòng)能，從而緩沖撞擊力以減少傷害。因此要求吸能構(gòu)件盡可能吸收較多的能量，同時(shí)又要避免較大的峰值載荷和波動(dòng)。評(píng)估吸能指標(biāo)主要包括總吸能與比吸能。

整個(gè)變形過(guò)程中吸收的總能量E可通過(guò)載荷F與位移δ曲線的積分而得到：

(1)

式中：F為作用在結(jié)構(gòu)上的瞬時(shí)沖擊載荷；δ為結(jié)構(gòu)的位移。

比吸能SEA定義為單位質(zhì)量結(jié)構(gòu)所吸收的能量，是衡量材料與結(jié)構(gòu)能量吸收能力的一個(gè)重要參數(shù)。比吸能為

(2)

2.1 幾何參數(shù)對(duì)比吸能和沖擊載荷的影響

泡沫鋁夾芯雙圓管試件兩端自由，沖擊載荷通過(guò)剛體的沖擊而施加，因此夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)度方向所受的沖擊載荷均勻，研究的模型可簡(jiǎn)化為二維平面應(yīng)變模型。圖5給出了不同長(zhǎng)度的夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)單位長(zhǎng)度上的沖擊載荷與比吸能隨橫向位移的變化規(guī)律。由圖5可知，結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度對(duì)單位長(zhǎng)度的沖擊載荷與比吸能影響很小，因此在分析結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)影響時(shí)，重點(diǎn)考慮了組成結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓管、外圓管的直徑、壁厚與芯層材料泡沫鋁的厚度等幾何參數(shù)的影響。在以下分析中，夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)的沖擊載荷均指單位長(zhǎng)度上的沖擊載荷。

圖5 沖擊載荷- 位移曲線與比吸能- 位移曲線Fig.5 Impact loading-displacement curves and SEA-displacement curves

圖6 沖擊載荷- 位移曲線Fig.6 Impact loading-displacement curves

2.1.1 外管直徑與壁厚的影響

為研究橫向沖擊載荷下泡沫鋁夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)變形與吸能特性的影響，本節(jié)給出了3種不同外管直徑與3種不同外管壁厚的分析結(jié)果。圖6給出了不同直徑與壁厚的泡沫鋁夾芯雙圓管在沖擊速度v=10 m/s時(shí)的沖擊載荷- 位移曲線。由圖6可知，隨著結(jié)構(gòu)外管直徑和壁厚的增加，泡沫鋁夾芯雙圓管的單位長(zhǎng)度上的沖擊載荷增大。在沖擊載荷- 位移曲線的初始階段有下降的波谷，原因是夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)在受沖擊的時(shí)候反彈引起的，這與文獻(xiàn)[4]中高速照相機(jī)拍攝到的現(xiàn)象相一致。

圖8 沖擊載荷- 位移曲線與比吸能- 位移曲線Fig.8 Impact loading-displacement curves and SEA-displacement curves

圖7給出了沖擊速度v=10 m/s，橫向位移δ=45 mm時(shí)，泡沫鋁夾芯雙圓管在內(nèi)管直徑d=60 mm，內(nèi)管壁厚h=2 mm，芯層泡沫鋁相對(duì)密度為20%的情況下，外管直徑D和壁厚H對(duì)其比吸能的影響。從圖7可以得到：隨著泡沫鋁夾芯雙圓管外管直徑的增大，結(jié)構(gòu)的比吸能增大，而且外管管壁越厚，其比吸能增大的比例越大；另外，當(dāng)外管直徑相同時(shí)，壁厚較薄的夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)的比吸能較大，原因是芯層材料泡沫鋁的厚度增大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的比吸能增大。

圖7 外管直徑和壁厚對(duì)比吸能的影響Fig.7 Effects of diameter and wall thickness of outer tube on SEA

2.1.2 內(nèi)管直徑和壁厚的影響

泡沫鋁夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)外管的幾何尺寸影響結(jié)構(gòu)的承載能力與比吸能，本節(jié)進(jìn)一步研究?jī)?nèi)管的幾何參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)變形與吸能的影響。圖8給出了橫向沖擊速度v=10 m/s時(shí)3種內(nèi)管直徑和3種內(nèi)管壁厚的夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)的沖擊載荷- 位移曲線與比吸能- 位移曲線。由圖8(a)和圖8(b)可知，隨著內(nèi)管直徑的減小和壁厚的增大，泡沫鋁夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)的沖擊載荷增大；由圖8(c)和圖8(d)可以得到，隨著內(nèi)管直徑的減小和壁厚的增大，泡沫鋁夾芯雙圓管的比吸能增大。

分析不同幾何尺寸的泡沫鋁夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果可知，夾芯雙圓管的外管直徑越大，內(nèi)管直徑越小，夾芯雙圓管的沖擊載荷和比吸能越大。原因是夾芯雙圓管中泡沫鋁芯層的厚度增加，即泡沫鋁的總質(zhì)量增加，泡沫鋁吸收了較多的能量。

2.2 沖擊速度的影響

為了研究不同的沖擊速度對(duì)泡沫鋁夾芯的雙圓管結(jié)構(gòu)變形模態(tài)與吸能性能的影響，給出了5種不同沖擊速度下結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果。圖9給出了不同沖擊速度下泡沫鋁夾芯雙圓管的沖擊載荷和比吸能隨橫向位移的變化規(guī)律。由圖9可知，隨著沖擊速度的增大，泡沫鋁夾芯雙圓管的沖擊載荷和比吸能呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。當(dāng)沖擊速度小于30 m/s時(shí)，不同沖擊速度下的比吸能- 位移曲線幾乎重合，從而表明在沖擊速度較小時(shí)，不同的沖擊速度對(duì)泡沫鋁填充雙圓管結(jié)構(gòu)的比吸能影響較小。當(dāng)沖擊速度v=100 m/s時(shí)，沖擊載荷- 位移曲線在初始峰值后表現(xiàn)出劇烈的波動(dòng)，原因是泡沫鋁夾芯的雙圓管結(jié)構(gòu)在高速?zèng)_擊時(shí)結(jié)構(gòu)的慣性效應(yīng)所致。

圖9 試件NS02受不同沖擊速度的影響Fig.9 Effect of impact velocities on specimen NS02

表4給出了試件NS02在3種不同沖擊速度10 m/s、50 m/s和100 m/s下的變形模態(tài)圖。由表4可知：當(dāng)沖擊速度為10 m/s時(shí)，結(jié)構(gòu)的變形模態(tài)上下對(duì)稱、左右對(duì)稱；而當(dāng)沖擊速度超過(guò)50 m/s時(shí)，泡沫鋁夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)由沖擊端開(kāi)始發(fā)生塑性變形，之后變形擴(kuò)展到整個(gè)結(jié)構(gòu)，變形模態(tài)呈現(xiàn)出左右對(duì)稱的特征。由此可知，由于速度的增大，結(jié)構(gòu)的變形機(jī)制發(fā)生了改變。

表4 不同沖擊速度下試件NS02的變形模態(tài)

Tab.4 Deformation modes of specimen NS02 under different impact velocities

基于在沖擊過(guò)程中泡沫鋁夾芯雙圓管的變形特征，為了進(jìn)一步分析夾芯雙圓管在橫向沖擊載荷下的吸能機(jī)理，建立了如圖10所示的夾芯雙圓管NS02的有限元模型。該分析模型將泡沫鋁夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)分成沖擊端、遠(yuǎn)離沖擊端、左右兩端均等的4部分組成。圖10給出沖擊速度v=10 m/s時(shí)，4部分的吸收能量占結(jié)構(gòu)總吸能的百分比- 位移曲線。從圖10中可以得到，在初始沖擊瞬間沖擊端幾乎吸收了全部能量，原因是在沖擊瞬間結(jié)構(gòu)由于慣性作用只有沖擊端產(chǎn)生塑性變形。隨著沖擊過(guò)程的進(jìn)行，其他3部分也發(fā)生了塑性變形。當(dāng)夾芯雙圓管的橫向位移大約為35 mm時(shí)，4部分所吸收能量相等，隨著橫向位移的增大，左右兩部分所吸收能量幾乎相等，沖擊端和遠(yuǎn)離沖擊端吸收的能量也相等。同時(shí)左右兩部分吸收能量的百分比大于上下兩部分，表明當(dāng)橫向位移大于35 mm時(shí)，夾芯雙圓管主要依靠左右兩部分的塑性變形來(lái)吸收能量。圖11給出了橫向位移δ=55 mm時(shí)試件NS02各組成部分吸收能量的百分比，可知沖擊端與遠(yuǎn)離沖擊端所吸收的能量幾乎相等，左右兩端的吸能也大致相等。

圖10 試件NS02組成部分吸能- 位移曲線Fig.10 Energy absorption-displacement curves of components of specimen NS02

圖11 試件NS02組成部分的吸能分配Fig.11 Energy absorption partition of components of specimen NS02

圖12給出了試件NS02各組成部分的動(dòng)能- 位移曲線，可以得到?jīng)_擊端動(dòng)能Ek最大，左右兩部分具有相等的動(dòng)能，而遠(yuǎn)離沖擊端在初始階段有一小段先增大后又減小的波峰外，動(dòng)能近似為0，表明遠(yuǎn)離沖擊端在沖擊的初始階段因?yàn)閵A芯雙圓管結(jié)構(gòu)的反彈使其具有瞬間較大的動(dòng)能。圖13給出了以v=10 m/s的速度沖擊外管直徑D=100 mm，外管壁厚H=3 mm，內(nèi)管直徑d=50 mm，內(nèi)管壁厚h=1 mm，長(zhǎng)度L=50 mm的試件時(shí)，上下剛平板所承受的沖擊載荷隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖13可知，上剛板所受的沖擊載荷出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，當(dāng)t=605 μs時(shí)，載荷達(dá)到了第2個(gè)峰值，原因是泡沫鋁夾芯雙圓管底部的反彈導(dǎo)致反作用力- 位移曲線中的第2個(gè)波峰。

圖12 試件NS02組成部分的動(dòng)能- 位移曲線Fig.12 Dynamic energy-displacement curves of components of specimen NS02

圖13 上下剛板的載荷- 時(shí)間曲線Fig.13 Impact loading-time curves of upper and lower rigid plates

2.3 泡沫鋁相對(duì)密度的影響

圖14給出了沖擊速度v=10 m/s時(shí)3種不同相對(duì)密度的泡沫鋁夾芯雙圓管的沖擊載荷- 位移曲線與比吸能- 位移曲線。從圖14中可以得到泡沫鋁的相對(duì)密度越大，夾芯雙圓管所受到的沖擊載荷與比吸能越大。當(dāng)橫向位移δ=30 mm時(shí)，3種不同相對(duì)密度的泡沫鋁夾芯雙圓管NS13、NS14和NS15的比吸能分別為0.58 J/g、0.70 J/g和1.18 J/g.

圖14 泡沫鋁相對(duì)密度的影響 Fig.14 Effects of aluminum foam on relative density

為了進(jìn)一步研究夾芯雙圓管的外管、內(nèi)管和泡沫鋁芯層3部分在沖擊過(guò)程中的能量吸收的分配規(guī)律，圖15給出了不同試件的外管、內(nèi)管和泡沫鋁芯層在橫向位移δ=50 mm時(shí)占總吸能的百分比。從圖15可以看出，除試件NS01和NS10外，在橫向沖擊過(guò)程中泡沫鋁芯層吸收的能量大于內(nèi)管、外管吸收的能量，如夾芯雙圓管試件NS15中泡沫鋁芯層吸收能量占夾芯雙圓管吸收總能量的76%。試件NS13、NS14和NS15的內(nèi)管、外管的幾何參數(shù)相同，填充泡沫鋁的相對(duì)密度分別為8%、12%和20%，由圖15可知：隨著芯層材料泡沫鋁相對(duì)密度的增大，試件N14和N15中芯層泡沫鋁吸收的能量比NS13增加了19%和38%，而內(nèi)管與外管吸收的能量占總能量的比例減??；隨著外管直徑的增大如試件NS01、NS02與NS03，內(nèi)管和外管吸收能量所占總能量的百分比減小。然而，內(nèi)管直徑的增大如試件NS04、NS05與NS06，內(nèi)外管的吸能占總能量的比例增加。

圖15 試件的內(nèi)外管和泡沫鋁的吸能分配Fig.15 Energy absorption partition of inner tube, outer tube and aluminum foam of specimen

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬研究了泡沫鋁填充的雙圓管結(jié)構(gòu)在橫向沖擊載荷作用下的變形規(guī)律與吸能特性。建立了泡沫鋁夾芯雙圓管的有限元模型，并與文獻(xiàn)[4]中已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了有限元模型的合理性與準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上分析了泡沫鋁夾芯雙圓管內(nèi)外管的幾何參數(shù)、芯層泡沫鋁的相對(duì)密度和沖擊速度等參數(shù)對(duì)其變形與吸能特性的影響。主要得到以下結(jié)論：

1)在橫向沖擊載荷作用下，泡沫鋁夾芯雙圓管在沖擊初始時(shí)刻，通過(guò)沖擊端的塑性變形吸收了大部分能量，后續(xù)階段主要依靠左右兩端的彎曲變形來(lái)吸收能量。

2)泡沫鋁夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)在橫向沖擊載荷作用下的比吸能有顯著影響，外管直徑越大，內(nèi)管壁厚越大，泡沫鋁芯層厚度越大，結(jié)構(gòu)的比吸能越大。隨著外管壁厚與內(nèi)管直徑的增加，泡沫鋁夾芯雙圓管的比吸能減小。

3)不同沖擊速度影響橫向沖擊載荷作用下泡沫鋁夾芯雙圓管的變形模態(tài)與吸能性能，當(dāng)沖擊速度分別為10 m/s、 20 m/s和30 m/s時(shí)，夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)呈上下對(duì)稱、左右對(duì)稱的變形模態(tài)，其不同壓縮位移處的比吸能近似相等；當(dāng)沖擊速度大于30 m/s時(shí)，泡沫鋁夾芯雙圓管呈左右對(duì)稱的變形模態(tài)，其沖擊載荷與比吸能隨著沖擊速度的增大而增大。

4)在橫向沖擊載荷作用下，芯層材料泡沫鋁的相對(duì)密度是影響夾芯雙圓管比吸能的主要因素之一，泡沫鋁的相對(duì)密度越大，泡沫鋁夾芯雙圓管的比吸能也越大。

因此，在工程實(shí)際應(yīng)用中，泡沫鋁夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)作為緩沖吸能元件，可通過(guò)增加外管直徑或者減小內(nèi)管直徑實(shí)現(xiàn)泡沫芯層厚度的增加來(lái)提高其比吸能，也可通過(guò)減小外管壁厚或者增加內(nèi)管壁厚來(lái)提高結(jié)構(gòu)的比吸能。此外，采用相對(duì)密度較大的填充材料也可提高結(jié)構(gòu)的能量吸收能力。

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ResearchonEnergyAbsorptionofAluminumFoam-filledDoubleCircularTubesunderLateralImpactLoadings

LIU Zhi-fang1， WANG Jun1， QIN Qing-hua2

(1.Institute of Applied Mechanics and Biomedical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi， China；2.State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi， China)

The deformation modes and energy absorption of aluminum foam-filled double circular tubes under lateral impact loadings are studied using numerical simulation method. The influences of geometrical parameters of the structure, relative density of foam aluminum material and impact velocities on the mechanical behaviors of structures are analyzed. The simulated results show that the plastic deformation of impact component absorbs the most of energy at the initial moment, and then the plastic bending deformations of the left and right components absorb energy. The specific energy absorption (SEA) of aluminum foam-filled double circular tubes increases with the increase in the diameter of outer tube and the wall thickness of inner tube or the thickness of aluminum foam core. However, the SEA decreases with the increase in the wall thickness of outer tube and the diameter of inner tube. When the impact velocity is less than 30 m/s, the deformation mode is vertically and horizontally symmetrical. The deformation mode is only horizontally symmetrical when the impact velocity is larger than 30 m/s. It can be found that the SEAs of sandwich tubes increase with the increase in the impact velocity. The larger the relative density of aluminum foam core is, the more the SEAs of aluminum foam-filled double circular tubes are.

solid mechanics; double circular tube; foam aluminum; lateral impact loading; specific energy absorption

O347.3

A

1000-1093(2017)11-2259-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.11.024

2017-01-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11772216、11372235、11572234)；國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目(11321062)

劉志芳(1971—)，女，副教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail: liuzhifang@tyut.edu.cn