低速冲击下泡沫金属填充薄壁圆管的弯曲行为

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1、第32卷第2期爆炸与冲击Vol．32，No．22012年3月EXPLOSIONANDSHOCKWAVESMar．，2012文章编号:1001-1455(2012)02-0169-05*低速冲击下泡沫金属填充薄壁圆管的弯曲行为1，222谢中友，虞吉林，郑志军(1．铜陵学院土木建筑系，安徽铜陵244000;2．中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，安徽合肥230026)摘要:采用实验方法研究了低速冲击下泡沫金属填充薄壁圆管的弯曲行为，详细说明了实验方法和原理。通过与准静态实验结果的比较发现，冲击加载使泡沫金属填充

2、圆管跨中截面的局部压入变形增大，跨中截面高度变小，结构下缘拉裂破坏延迟。由于结构的惯性效应，锤头总冲击力高于准静态加载时的对应值。关键词:固体力学;弯曲;低速冲击;薄壁圆管中图分类号:O347．3国标学科代码:13015文献标志码:A薄壁圆管在遭受到横向撞击时，容易发生局部压入变形，从而导致结构承载能力大大降低。泡沫金属是一种新型的多孔材料，具有低密度、高比强度和比刚度的特点。用泡沫金属来填充薄壁圆管，可以在结构质量增大不多的情况下，大大提高结构抵抗局部变形能力，因而提高结构的使用寿命。文献［1-3］用实验和数值模拟的方法研究

3、了泡沫铝合金填充薄壁圆管的弯曲行为，结果表明填充泡沫铝后结构承载力有很大提高。通过实验观察发现，其变形可分为压入、压入弯曲和管壁下缘拉裂破坏3个阶［2］段。进而，在数值模拟的基础上分析了结构的承载机理，同时研究了部分填充管的填充长度对结构［3］［4］承载能力的影响。L．W．guo等提出了一种新型的泡沫金属夹芯双管结构，比传统的填充管具有更好的承载性能和吸能效果。经受冲击载荷的结构，其响应同静载情况相比，有着许多不同的规律。冲击加载会改变结构的变形模式，引起材料的应变率效应和结构的惯性效应。另外，撞击物的巨大动能会引起结构产生超

4、大变形、屈曲、断裂，甚至垮塌失效，造成灾难性事故，因此研究结构的耐撞性有很大的学术和工程意义。泡沫金属有着良好的吸能性能，可以承受很大的塑性变形，且不会像实体结构那样发生突然的断裂垮塌，因此［5-6］泡沫夹芯结构在承受冲击载荷方面具有非常优良的力学性能。本文中拟主要研究低速冲击下泡沫金属填充薄壁圆管的弯曲行为。通过与准静态实验结果的比较，得到2种加载条件下结构力学响应的差别，并重点分析其中的机理。1实验方法1．1实验装置及原理动态弯曲实验在导轨式落锤实验系统上进行。实验时先将落锤提升至预定高度H，释放后沿导轨自由下落对结构实施

5、冲击加载。忽略导轨摩擦，落锤撞击试件前为自由落体运动，初始冲击速度可近似按式v0=槡2gH计算，其中g为重力加速度。落锤锤头的刚度远大于泡沫金属填充圆管结构的结构刚度，加之锤头设计较为紧凑，因此落锤系统自振频率的特征时间远小于冲击力响应时间。因此，在研究泡沫金属填充圆管的结构冲击响应时，可将落锤锤头当作刚体，锤头对试件的冲击力p(t)可以近似按式p(t)=ma(t)计算，其中m为锤头加配重后的总质量，a(t)为锤头加速度，t为时间。虽然锤头的刚度和加速度传感器的埋设方式对加速度信号有影响，但只是在原始信号上迭加了高频信号，这种

6、影响可以通过将加速度信号对时间积分加以消除。*收稿日期:2010-12-24;修回日期:2011-04-16基金项目:国家自然科学基金项目(90205003，10532020，10672156)作者简介:谢中友(1976—)，男，博士研究生，讲师。170爆炸与冲击第32卷因此，可以较准确地计算试件上表面冲击点速度和位移随时间变化的信号ttv(t)=v0－∫a(t)dt，s(t)=∫v(t)dt00进而，可以得到冲击力与锤头位移之间的关系曲线。1．2试件制备试件由薄壁圆管内填泡沫金属构成，管壁与泡沫铝合金芯棒间未加粘接，间隙为0

7、．15mm。薄壁圆管材料为AA6063T6铝合金，外径D=38mm，有3种不同的壁厚:δ=1．0，1．5，1．8mm。泡沫金属芯基3体材料为铝硅合金，主要成分为:工业铝88%、硅7%、钙4%、铁1%，基体密度约为2．98g/cm。选用33的泡沫金属平均胞孔尺寸为4～6mm，密度取2种，分别为ρ1=0．486g/cm和ρ2=0．518g/cm。管壁材料和泡沫金属的基本力学性能详见文献［2］。表1试件编号方法试件总长300mm，由2个距离为250mm的固定支座Table1Numberingmethodofspecimens上的刚性

8、圆柱支撑，跨中加载，压头和支撑圆柱直径均为3截面形状加载方式δ/mmρ/(g/cm)10mm。为了更深入地了解低速冲击下结构响应的特点，1．00S同时开展了准静态实验研究作为比较。准静态实验在C1．5ρ1DMTS810材料试验机上进行，载荷和位移数据分别由力传1．8ρ2感器和