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《泡沫铝填充薄壁圆管的三点弯曲实验的数值模拟3-中国科学技术大学》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、第28卷第3期固体力学学报Vol.28No.32007年9月ACTAMECHANICASOLIDASINICASeptember20073泡沫铝填充薄壁圆管的三点弯曲实验的数值模拟33谢中友李剑荣虞吉林(中国科学技术大学中科院材料力学行为和设计重点实验室,合肥,230027)摘要泡沫金属填充薄壁结构的应用日趋广泛,建立合理的数值计算模型对结构设计和工程应用非常重要.该文通过对泡沫铝填充薄壁铝合金圆管的三点弯曲实验的数值模拟,研究了它的力学行为.采用ABAQUS软件,建立了空管和泡沫铝全填充管的有限元模型,并对这两种结
2、构在三点弯曲下的力学行为进行了数值模拟,所得结果与实验结果符合得较好.通过数值模拟分析了结构的承载机理和不同压头直径对结构承载能力的影响.此外,还研究了泡沫铝部分填充圆管的三点弯曲行为,分析了不同填充长度对结构承载能力的影响.关键词泡沫铝填充管,薄壁圆管,三点弯曲实验,数值模拟0引言1材料性能实验和三点弯曲实验泡沫金属填充薄壁结构可以在结构总重量增加实验采用外径为38mm,壁厚1.0mm的不多时大幅度提高结构承载能力和能量吸收性能.AA6063T6铝合金圆管,其杨氏模量为51.9GPa,近几十年来,由于各种泡沫金属制
3、备工艺的发展,泡屈服应力153.1MPa,极限强度159.7MPa.闭孔泡[1]3沫金属的应用前景越来越广.Seizberger等研究沫铝的平均密度约为0.393g/cm(相对密度了泡沫铝填充圆管轴向压缩行为,发现填充泡沫铝0.146),胞孔尺寸约为122mm,基体为工业纯铝.图改变了空管结构的变形模式,提高了结构能量吸收1给出了泡沫铝单轴压缩的应力应变曲线,其杨氏量,填充结构的单位质量吸能高于空管结构.San2模量为253MPa,平台应力(定义为应变范围020.5[2]tosa等用实验和数值模拟方法分析了泡沫铝填充
4、间的平均应力)为6.29MPa.方管的力学行为,结果表明泡沫铝填充结构会产生多个褶皱,部分填充能够大量提高单位质量结构承[3]载能力.许坤等研究了泡沫铝填充薄壁方管的弯曲崩毁行为,说明泡沫铝填充显著提高了结构承载能力.圆管是汽车、航空、船舶等行业的常用结构,[4]Reid等曾对薄壁圆管三点弯曲力学行为做过研究,得到一种载荷与压头总位移的半经验半理论关[5]系.Kim等用实验和数值模拟的方法研究了泡沫铝合金填充圆管的弯曲行为,但缺乏对填充结构承载能力内在机理的研究分析.本文对泡沫铝填充薄壁圆管的三点弯曲实验进图1泡沫铝
5、的单轴压缩应力应变曲线行了有限元数值模拟,分析了泡沫铝填充物对提高结构承载能力的作用机理,并将数值模拟结果与实三点弯曲试件总长300mm,跨径为250mm,验结果进行了对比.最后,进一步研究了压头直径和刚性支座和压头直径均为10mm,管壁和泡沫铝之局部填充泡沫铝对结构承载能力的影响.3国家自然科学基金项目(90205003,10532020,10672156)资助.2006208231收到第1稿,2007204209收到修改稿.33通讯作者.Tel:055123600792,Fax:055123606459,E2ma
6、il:jlyu@ustc.edu.cn.·262·固体力学学报2007年第28卷间无粘结,间隙约0.15mm.实验得到的压头载荷元.管壁材料采用各向同性弹塑性模型和Mises屈位移曲线如图2所示.服准则,泡沫铝材料采用可压缩泡沫(CrushableFoam)模型.将实验测得的泡沫铝的单轴压缩工程应力应变曲线转化为真应力真应变曲线时,考虑到泡沫铝材料准静态压缩时基本上没有横向变形,真应力值取为单轴压缩应力的实验值,而真应变值按εtrue=-ln(1-εnon),εpl=εtrue-σ/E计算.作为比较,数值模拟得到的泡
7、沫铝材料单轴压缩工程应力应变曲线也画在图1中.图2空管和填充管三点弯曲的压头载荷位移曲线2数值模拟2.1有限元模型数值计算采用ABAQUS/EXPLICIT有限元分析软件.考虑到结构的对称性,只选了1/4结构加对图3三点弯曲实验有限元分析模型称边界条件,如图3所示.管壁采用三维壳单元模型采用位移加载,速度设为0.5m/s.管壁与(S4R),网格尺寸在半长25mm的跨中加密区为2压头、支座之间的接触设为光滑接触(Frictionless),×2mm,其余为3×3mm;泡沫铝芯采用三维实体管壁与泡沫铝之间的接触设为粗糙接
8、触(Rough).单元(C3D8R),网格划分在跨中加密区为2×2×22.2变形模式和计算结果分析mm,其余为2×4×4mm.压头和支座均采用刚体单图4给出了压头位移为δ=50mm时的空管结图4δ=50mm时空管结构的变形第3期谢中友等:泡沫铝填充薄壁圆管三点弯曲实验的数值模拟·263·构变形图.可以看出,数值模拟结果与实验结果符合头位移约为δ
