轴向静态载荷作用下泡沫填充金属薄壁圆管吸能特性研究

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1、轴向静态载荷作用下泡沫填充金属薄壁圆管吸能特性研究提高结构耐撞性，已成为各种新型交通工具的一个重要指标。经过几十年的努力，交通安全性有了很大的提高，但新的问题不断提出，交通工具，尤其是飞行器的安全防护一直是冲击动力学前沿领域的研究热点之一，为满足航空航天结构的轻质化要求，提高单位质量结构的缓冲和吸能效率就显得非常重要。余同希和卢兴国的著作【1】对各种能量吸收结构做了详细论述。近些年出现的将吸能材料与吸能结构一体化的设计研究一直受到人们极大地关注。新近研发的格栅材料，是一种超轻有序微结构材料，研究结果表明在同等重量下，格栅材料远比无序微结构金属泡沫（传统吸能材料）具有更好的力学性能。关于格栅材料

2、的研究还可以参看卢天健【2】等综述性论文。但目前关于格栅材料吸能结构的研究只要针对具体的吸能构件，至于如何优选、设计格栅微结构达到轻质高效的缓冲吸能效果并没有找到普遍遵循的一些基本准则，其结构还可以采用力学原理进行优化设计，因此这些工作还有待进一步深入。过去已经有许多人对提高薄壁构件的吸能效率做过很多研究。Reid、ReddyandGray【3】试着在薄壁方管中填充聚氨酯泡沫来提高单位质量结构的吸能效率。ReddyandWall【4】在薄壁圆管内填充聚氨酯泡沫，得到对于每种类型的管壁，存在一个最优的泡沫密度，使结构的比能量达到最大值。X.W.Zhang,T.X.Yu【5】在薄壁圆管内充入气体，

3、实验过程中发现管内气体在常压条件下，平均压溃力和能量吸收随着常压值得增大而增大。GhamarianandTahayeAbadi【6】在填充聚氨酯泡沫的薄壁圆管的一端加帽使最大初始峰值得到控制以减少对物体的伤害。以上对吸能结构和吸能材料一体化的研究表明：组合结构的总能量比单一的吸能结构和吸能材料所吸收的能量和都要大，因此吸能结构和吸能材料之间存在相互作用。但对该种相互作用都只是在定性的程度上讨论，现在就通过改变填充材料的几何结构来对吸能结构和吸能材料做进一步深入的了解。本实验采用3种不同密度的聚氨酯泡沫填充薄壁圆管，并将泡沫填充薄壁圆管的厚度分成4种规格，然后将试验试件在MTS机上做静态轴向压缩

4、。为了增强泡沫与管壁之间的相互作用，把薄壁圆管的D/t控制在大于500。在上述的静态试验中，讨论了薄壁圆管的变形模式和最大初始载荷峰值，分析了试件的平均压溃力和泡沫填充的几何结构对提高吸能效率的影响。结果表明，泡沫与薄壁圆管之间的相互作用在理论分析时不能忽视，且这种作用随着填充厚度的减少而减弱；填充结构的比能量也并非是泡沫填充越实越好，而是填充厚度存在某一临界值，使填充结构的比能量与泡沫填满的填充结构的比能量基本保持不变。2.实验部分2.1实验材料与试件本实验采用有缝的咖啡薄壁圆管，经过线切割将圆管的两端切平。经测量，圆管的直径D为52.80mm、壁厚t为0.10mm、长度L为90mm。泡沫采

5、用硬质的聚氨酯泡沫，密度分别为25Kg/m3、35Kg/m3、45Kg/m3。实验试件是在薄壁圆管中填充三种不同密度的泡沫，再将填充好的实心试件用机床加工在试件中心分别钻直径为20mm、30mm、40mm的小孔。这样就得到了实心、中心孔直径分别为20mm、30mm、40mm的四种规格的试件。具体试件如图（1）所示。图1：实验试件模型实图2.2材料力学性能测试1·确定薄壁金属圆管的力学性能：在薄壁圆管上裁下一拉伸试样条，并将其放置在MTS机上，在准静态的条件下进行试验，得到的载荷—位移曲线如图（2）所示。薄壁金属圆管的力学性能可以在表（1）中可以了解到。2·确定各密度泡沫的力学性能：在薄壁圆管壁

6、上附着一层白纸，然后将各种配好密度的发泡剂填充到圆管内，得到用白纸包围的泡沫圆柱。剪开白纸，取出泡沫圆柱。同样将其放置在MTS机上，并在准静态的条件下进行试验，得到的载荷—位移曲线如图（3）所示。泡沫的尺寸和力学性能可以在表（2）中了解到。图2：金属薄壁圆管的（力—位移）曲线表1：金属薄壁圆管的尺寸大小及力学性能参数图3:三种不同密度的聚氨酯泡沫的（力—位移）曲线表2：三种密度的聚氨酯泡沫试件（只用做力学性能测试）尺寸和力学性能参数2.3准静态测试实验过程中，所有试件在MTS机上以20mm/min?1的速度进行准静态轴向压缩测试。1.空管压缩：空管在压缩开始时，伴随着略微的响声，并可以明显地观

7、察到圆管上端变成一个四边形。继续压缩空管，以下部分均按照四边形的形状轴向压缩。考虑到薄壁圆管有一条细缝，从四边形的四个塑性铰可以看到，在细缝处并没有形成塑性铰，因此在本实验分析中，暂不考虑细缝对实验的影响。在整个压缩过程中，圆管是以钻石模式破损的，这与Guillow,Lu,Grzebieta【7】研究结果相符:当D/t>80时，圆管则会发生钻石模式破损。空管准静态压缩的（力-位移）曲线如图（