BENDING BEHAVIOR OF EMPTY AND FOAM-FILLED ALUMINUM TUBES WITH DIFFERENT CROSS-SECTIONS

In this paper, the energy absorption mechanism of empty and foam-filled aluminum tubes with different cross-sections （circular, square and elliptic） under bending load is investigated numerically. The load-displacement curves of the present simulations are in very good agreement with those of published experimental data. Here, the existing analytical formulations are reviewed and compared with experimental results. In addition, the effects of different cross-sections and wall thicknesses on the energy absorption capacity and specific energy absorption of these tubes are fully investigated. The results indicate that the energy absorption of an elliptic foam-filled tube with 1.5 mm and 2 mm thicknesses increases about 45% and 73% in comparison with a square one, respectively.

一种横截面为正五/六边形的四层复合材料管轴向冲击吸能研究

纸瓦楞夹层管为耐撞性问题提供了一种新思路。针对由聚乙烯泡沫对纸瓦楞夹层双管的双填充构型,利用轴向跌落冲击对比试验和参数化分析,重点研究这种四层复合材料管的缓冲吸能特性以及结构和冲击参数的影响。研究结果表明:双填充X轴方向瓦楞夹层双管的塑性平台区明显长于双填充Y轴方向双管,其吸能效果优于双填充Y轴方向双管;随着管横截面边数的增加,双填充双管的比吸能、单位体积吸能、比总体效率、平均压溃应力都下降;随着落锤质量的增加,双填充双管的缓冲吸能特性都递增;管长比为3.0时,双填充X轴方向正五边形双管的总吸能和比吸能分别比正六边形管提高了15.6%和48.8%,而双填充Y轴方向双管分别提高了14.4%和47.9%;管长比为2.2的双填充双管的初始峰值应力高于管长比为1.4和3.0的双填充双管,抗冲击性能更好。

泡沫铝填充管的研究进展

泡沫铝填充管是在一个或多个不同横截面形状的薄壁金属管内填充泡沫铝而形成的一种结构功能一体化材料。泡沫铝的填充不仅提高了薄壁金属管的轴向压缩性能和抗弯曲性能,也避免了泡沫铝本身强度不高的劣势。从泡沫铝填充管的制备、结构及性能方面综述了其研究现状,从泡沫铝单管、双管与多管填充的角度分析了结构对泡沫铝填充管压缩和弯曲性能的影响。单管填充泡沫铝改变了薄壁管压缩及弯曲的失效形式,提高了薄壁管的吸能性;双管填充泡沫铝的内管多数以同心管形式排列,在管内部所填充的泡沫铝支撑的基础上,内管进一步支撑起泡沫铝填充管的承载和吸能作用,其压缩及弯曲性能较单管填充更为突出;多管填充泡沫铝在双管基础上进行拓展,可以同心或并列排布,对薄壁管性能的提升各有不同,平行排列的多管结构能量吸收效率高于泡沫铝填充单管,但低于相应的薄壁空管结构。泡沫铝填充管的制备技术通常是分别制取泡沫铝和管材再进行填充,尽管过于单一且工艺复杂,但由于其具有优异的承载和吸能能力,仍然在交通运输、航空航天等领域极具应用潜力。

泡沫填充铝合金多胞防爬器的吸能机理

提出了一类新型防爬器—泡沫填充铝合金多胞防爬器,并通过数值仿真结合试验验证的方法研究了其在轴向荷载作用下的能量吸收机理。结果表明,填充闭孔泡沫铝并提高其密度可以在峰值压溃力几乎不变的前提下有效提高铝合金多胞防爬器的能量吸收能力,且能够进一步提升蒙皮材料的吸能潜力。此外,当壁厚较小时,该防爬器极易产生不利于能量吸收的整体失稳;而壁厚增大时,防爬器的变形模式趋于稳定,总能量吸收增加,且蒙皮材料的能量吸收占比逐渐增加。

泡沫铝填充半球壳结构动力学特性研究

泡沫铝填充薄壁结构具有轻质、较大的承载能力以及高效的吸能特性,故越来越多地被应用于各种工程结构。本文提供了一种泡沫填充薄壁半球壳结构,并采用数值模拟方法对该结构在落锤冲击作用下的变形模态和吸能特性进行研究,同时分析了径厚比、泡沫密度以及加载初速度对该结构碰撞力峰值、内能吸收和顶点位移等吸能特性的影响。研究表明,泡沫填充半球壳受力更加均匀,能够充分利用外壳材质的塑性变形能力,吸能效果优于内空半球壳。冲击载荷下泡沫铝填充半球结构主要经历3个阶段,塑性铰产生、发展和内部填充材料压缩。冲击载荷下泡沫铝填充半球结构的主要变形模式与冲击能量和填充泡沫铝密度有关,主要体现出4种变形模态:壳体边缘隆起,冲击区域产生对称分布的凹痕;壳体边缘隆起,冲击区域压平;壳体向内凹陷形成八边形塑性铰,冲击区域产生对称分布的凹痕;壳体向内凹陷形成平整塑性铰,冲击区域压平。

泡沫填充圆柱壳抗冲击响应与耦合效应分析

为了探究泡沫完全填充和非完全填充对多胞管冲击响应的影响规律,选用6061-T4铝合金作为薄壁圆壳结构材料,选用泡沫铝作为填充芯体材料,采用质量块冲击实验装置对空心圆柱壳、泡沫填充管以及泡沫夹芯管三种结构进行了压溃实验。基于该动力学实验,对三种结构进行了有限元数值仿真,通过与实验结果对比来验证仿真方法的有效性,并且研究了结构压溃载荷、能量吸收和变形模式对结构几何参数(管壁厚度和泡沫密度)、冲击速度等因素的依赖规律,分析了泡沫填充圆柱壳的能量吸收机制与耦合效应。结果表明:1)泡沫填充管(FT)的管壁厚度由1.0 mm增大为1.5 mm时,平均压溃力(MCF)值提升的变化范围约为27%~30%,当泡沫密度由0.4 g/cm^(3)增大至0.5 g/cm^(3)时,MCF值提升的变化范围约为17%~20%,即随着泡沫密度和外管壁厚的增加,压溃载荷的动态增强效应会更明显。2)泡沫填充可有效增强结构的径向膨胀效应,提高其能量吸收性能。3)耦合效应产生的机理主要包括三种情况,即泡沫应力状态的改变、泡沫与管壁间的摩擦效应和管壁径向膨胀变形效应。

泡沫铝填充钢管轴向压缩性能和吸能能力研究

为了研究泡沫铝填充钢管轴向压缩性能,本文以泡沫铝填充钢管为研究对象,通过试验研究泡沫铝填充钢管构件在轴向准静态载荷条件下的承载能力和变化情况;同时通过有限元数值模拟对泡沫铝填充钢管的承载能力、变形模式、应力分布和能量吸收特性进行研究。研究表明:相比于纯钢管,泡沫铝填充钢管在轴力超过极限荷载之后,仍有较大的剩余承载力,整个压缩过程表现为稳态压缩;填充钢管轴向和侧向变形的幅度较小,填充钢管的变形无空腔的存在、大应力区也有所减小,轴压下的变形规律性更好,耗能能力更优。

泡沫铝填充结构改善汽车低速碰撞耐撞性研究

为改善汽车低速碰撞耐撞性,减少维修成本,试验研究了铝空管及泡沫铝填充管的三点弯曲性能,对比分析了部分填充与全填充的泡沫铝填充管的承载特性及吸能总量。建立了对应的三点弯曲有限元仿真模型,对比试验结果与模拟结果,验证了有限元仿真模型的可靠性。基于泡沫铝填充管的研究结果,进行了某轻型物流车前防撞梁总成在C-IASI前端低速碰撞工况下的模拟试验,对比汽车前防撞梁本体填充泡沫铝前后的耐撞性。结果显示,在前防撞梁本体中填充泡沫铝,改善了车辆的碰撞吸能性,降低了前端侵入量,提高了汽车安全性。

泡沫铝结构的吸能特性影响参数试验分析

闭孔泡沫铝是一种轻质吸能金属材料,在低密度下具有良好的比刚度和比强度、宽而平坦的屈服平台区、良好的抗冲击性和能量吸收特性。在进行了大量试验的基础上,研究了泡沫铝裸材及其填充薄壁管的吸能特性,验证了闭孔泡沫铝结构的各向同性,研究了泡沫铝的孔隙率、孔径等对其力学性能的影响。给出了泡沫铝及其填充结构吸能能力的评价指标,指出了泡沫铝与薄壁管在轴向压缩吸能中的相互作用效应,并得出填充结构能够提高承载能力43%、提高吸能能力87%的结论。

泡沫铝夹心板静态三点弯曲变形行为及力学性能

采用焊接方法制备了泡沫铝夹心板,通过对制备出的泡沫铝夹心板进行三点弯曲实验,测量其整体的抗弯特性.应用数字图像相关方法计算了弯曲过程中试样表面的全场变形响应,结合对载荷-位移曲线的分析,讨论了2种不同孔结构夹心板的变形行为.结果表明:由于夹心材料结构上的不同,导致其破坏方式的不同;以闭孔泡沫铝为夹心的夹心板弯曲吸能比夹心为开孔泡沫铝的多,而开孔泡沫铝夹心板的弯曲刚度则更高些,这对泡沫铝夹心板的设计及工程应用具有实际指导意义.

泡沫铝层合圆管纵向和横向压缩力学性能研究

用碳化硅颗粒增强泡沫铝为夹芯,不锈钢圆管为面板制备层合圆管,研究了层合圆管在准静态压缩条件下的纵向和横向变形行为和能量吸收性能。研究表明,层合圆管的纵向压缩变形方式与空管相比发生了改变,由不对称变形模式变为轴对称变形模式;载荷-位移曲线平台段锯齿形波动与曲屈圈的形成呈现对应关系;层合圆管纵向和横向的吸能能力均远大于不锈钢圆管和泡沫铝吸收的能量之和,并且随着应变的增加,层合圆管的吸能能力增加更为快速;层合圆管在保持泡沫铝轻质的同时,在纵向和横向两个方向上均大幅度提高泡沫铝的吸能能力。

多层介质对应力波传播特性影响分析

通过在气炮上进行多层介质的低速冲击实验及相应的数值计算,分析了不同组成的多层介质对应力波传播特性的影响。结果表明:多层介质中的泡沫材料不仅能够改变应力波的幅值与作用时间,而且具有显著的吸能效果,引起应力波在传播过程中在各层介质中能量与动量分配的改变。通过对泡沫铝和泡沫混凝土两种软材料在多层介质中作用的比较表明,在低速冲击的实验条件下,含泡沫混凝土的多层介质具有较好的削波作用,含泡沫铝的多层介质具有较好的吸能性能。

撞击作用下泡沫铝填充结构吸能特征

泡沫铝是由金属铝制成,由于铝具有较低的强度,导致泡沫铝本身的承载能力和吸能特性受到局限。典型的抗振吸能结构是泡沫铝填充结构或夹芯结构。采用实验和数值模拟方法分析了泡沫铝填充结构在冲击作用下的变形特征与吸能特性。研究表明,填充结构中钢制圆柱壳在整个冲击吸能过程中占主要地位,它与泡沫的相互作用使得变形过程中的能量吸收和初始失稳载荷随冲击速度的提高而增加;当钢制圆柱壳的壁厚增加时,峰值塌陷载荷和总的吸能也提高。在100 kg范围内,冲击质量对初始峰值塌陷载荷的影响不大。由于钢壳是主要的承载和吸能部件,要想提高泡沫铝填充结构的吸能特性,需要合理地设计泡沫密度与钢壳厚度,充分利用它们之间的相互作用关系。

高速冲击泡沫铝填充管的瞬态分析

泡沫铝具有减震和吸收冲击能量的良好特性。但由于泡沫铝自身强度较低,单独作为承载和吸能构件实用意义不大。将泡沫铝作为填充材料能充分发挥泡沫铝的优良性能。采用数值模拟方法研究低密度Duocel泡沫铝填充薄壁方钛管和圆钛管在30m/s的匀速冲击载荷作用下的瞬态吸能特性。提出柱壳比(R)作为比较不同截面形状的泡沫铝填充结构的依据。研究发现泡沫铝填充方钛管的比吸能为ES(F+P)A=0.438J;圆钛管的比吸能为EC(F+P)A=0.344J。泡沫铝填充方钛管的吸能效果好于圆钛管,前者是后者的1.273倍。在相互作用和影响下,泡沫铝柱和管的变形模式和力学性能都发生了较大的改变,被泡沫铝填充的方管的屈曲波长变短,圆管则与之相反。粘合后,泡沫铝柱和管具有类似的力—位移曲线和相似的力学性质。

轴向压缩下泡沫铝填充薄壁圆管吸能特性研究

利用有限元软件ABAQUS对7种不同几何尺寸的泡沫铝填充管进行准静态轴向压缩的数值仿真分析,系统地研究了管的高度、壁厚、直径以及泡沫铝的填充对圆管吸能性能的影响;与实验对比,分析了7种泡沫铝填充试件的平均载荷、初始峰值载荷、比吸能(ESA)和压缩力效率(ECF)等吸能评价指标。研究结果表明,泡沫铝填充管在准静态轴向压缩时,管的壁厚与直径对管的吸能性能有显著影响;管的高度对其吸能性能影响较小,但高度的增加可以增加管的总吸能;泡沫铝的填充提高了管的承载力、总吸能、比吸能和压缩力效率。本研究成果可为设计理想的缓冲吸能装置提供一定的技术依据。

面板材料及芯层厚度对泡沫铝夹芯板弯曲性能的影响

采用静态三点弯曲加载方式对粘结法制备的泡沫铝夹芯板的力学性能进行研究,通过实验分析不同面板材料和芯层厚度对夹芯板弯曲性能、能量吸收以及失效模式的影响。结果表明:泡沫铝夹芯板的抗弯极限载荷值及吸能性能由面板材料和芯层厚度共同作用,随着芯层厚度的增加,极限载荷强度有所提高,铝面板泡沫铝夹芯板的极限载荷强度和能量吸收能力的增加远高于钢面板的夹芯板;失效模式主要有压入、芯层剪切和面板屈服。

泡沫铝填充钢管横向压缩吸能特性试验

为了解填充泡沫铝对钢管吸收能量的影响及其能量吸收特性,通过试验方法研究了单个空钢管与泡沫铝填充钢管的准静态横向压缩性能及吸能特性。研究结果显示:空钢管在横向压缩作用下,其名义应力应变曲线关系与多孔金属材料比较相似。相同壁厚的钢管在横向压缩下,管径越大,其名义屈服应力越小,平台段越长。填充泡沫铝能改变其变形机制,提高钢管在横向压缩下的屈服应力值,较大地提高其能量吸收性能。泡沫铝密度对这种性能的提高影响较小,而钢管的直径对其影响较大。

泡沫铝填充管汽车保险杠的研究

为满足汽车向轻量化、低能耗、安全舒适方向发展的要求,采用新材料制造汽车零件。以泡沫铝应用于汽车保险杠为研究背景,研究了泡沫铝填充管的吸能特性,建立了相应的数学模型。并将泡沫铝汽车保险杠与传统的空心金属管保险杠进行了比较。结果表明泡沫铝填充管汽车保险杠更能满足汽车向质量轻、体积小、环保等方向发展的要求,将具有很大的发展前景。

填充泡沫铝的多层铝管动态压溃吸能特性研究

采用数值模拟的方法研究和分析了无填充物的多层铝管结构的吸能特性,结果发现多层铝管相比单层铝管,不但具有较大的吸能量,而且还具有较高的比吸能率;在此基础上,设计了不同层数的多层管泡沫铝填充结构,研究发现泡沫铝不但受轴向压溃变形,同时也受到了铝管层之间的相互作用力使其在径向发生了变形;之后对多层管填充3种不同密度的泡沫铝,采用变参分析的方法研究了多层管层数和泡沫铝密度对整个结构吸能特性的影响;研究结果表明:填充泡沫铝的多层管,随着层数的增加,其比吸能率和吸能量也随之有所增加,随着泡沫铝密度的提高,比吸能率的提高量开始下降,但仍高于填充相同泡沫铝的单层管。

EPE泡沫填充圆形纸蜂窝异面缓冲性能的试验研究

目的为了研究EPE泡沫填充对圆形纸蜂窝异面缓冲性能的影响,开展相关试验研究。方法对2种排列方式(规则/交错)以及不同填充形式(未填充、全填充、5种部分填充方式)的EPE泡沫填充圆形纸蜂窝结构,进行异面准静态和动态压缩试验,研究其异面变形模式和吸能特性,比较不同排列方式和泡沫填充对其异面缓冲性能的影响。结果静态压缩时,与未填充蜂窝结构相比,EPE填充使交错排列的平均平台应力和单位体积能量吸收分别增长了10.1%和8.9%,规则排列分别增长了7.1%和7.5%。结论 EPE填充使圆形纸蜂窝所承受的最大静应力增大,且交错排列时增长较明显;相同填充率下,填充方式对圆形纸蜂窝异面静态压缩的缓冲性能影响不大。动态压缩时,排列方式和泡沫填充仅对大载荷下圆形纸蜂窝的动态缓冲性能影响明显。EPE填充使圆形纸蜂窝异面缓冲性能得到改善,且交错排列方式优于规则排列。