泡沫铝合金填充圆管三点弯曲实验研究

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1、第22卷第2期实验力学Vol.22No.22007年4月JOURNALOFEXPERIMENTALMECHANICSApr.2007文章编号:100124888(2007)02201042073泡沫铝合金填充圆管三点弯曲实验研究谢中友,虞吉林,李剑荣(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:用实验方法研究了三种不同管壁厚度、两种跨径的泡沫铝合金填充圆管的三点弯曲力学性能,得到了泡沫铝合金填充管结构承载过程中的三种变形模式,即压入、压入弯曲和管壁下缘拉裂破坏。给出了空管和

2、泡沫铝合金填充管的载荷位移曲线,并进行了比较。实验发现泡沫铝合金填充管结构的承载能力随泡沫铝合金密度的增大而增大,但破坏应变则随之减小。结构承载力的相对提高量随着管壁厚度的减小和跨径的增大而增大。此外,分析了泡沫铝合金提高填充管结构承载能力的机理。泡沫铝合金填充使管壁压入量和管截面抗弯刚度的损失显著减小,从而提高了结构的抗弯能力。关键词:泡沫铝;圆管;三点弯曲中图分类号:O34文献标识码:A0引言圆管结构是汽车、航空、船舶等行业的常用结构,一般可分为紧凑、非紧凑和细长三类,三种圆管结构的变形模式和承载力有

3、较大的差别。分类方法有两种,一是按几何特征参数即直径与壁厚之比D/t[1]值进行分类,另外学术上通常按λs=Dσy/250t的值分类,其中σy为管壁材料的屈服应力。[2]横向弯曲是一种较为常见的承载模式,Mamalis等和对25

4、曲行为,实验结果表明圆管弯曲时沿截面环向将产生多个褶皱,理论方面主要采用钻石形模型对结构大变形时进行塑性分析。[5]Soares等的分析表明,随着跨径与直径之比L/D的增大,圆管结构表现为环、短梁、长梁的行为,其临界值随D/t变化而有所改变,长梁结构可不考虑局部压入而按经典梁理论进行理论分析。Pacheco[6][7]等通过实验和数值模拟方法研究了圆管短梁的局部压入和垮塌行为。Wierzbicki等进一步建立了[8]较为完备的压入载荷表达式。对于短梁结构,Thomas等研究表明,薄壁圆管三点弯曲要经历三个

5、变[9]形阶段:局部压入、局部压入弯曲和结构垮塌。Reid等在理论上建立了载荷与局部压入深度的关系式,并得到了载荷与压头总位移的半经验半理论关系。但因压头总位移与局部压入深度关系式是由实验拟合得到的数值解,其结果无法推广应用。近年来,由于生产工艺的发展,泡沫金属的应用越来越广泛,其中包括泡沫金属填充薄壁结构。[10]Santosa等用实验和数值模拟的方法研究了泡沫铝填充方管结构弯曲行为,结果表明泡沫铝能有效[11]减小局部压入变形,使结构保持较高的承载力。许坤等对泡沫铝填充薄壁方管弯曲行为进一步作了理论研

6、究,在实验基础上提出了一个分析填充结构弯曲行为的理论方法。3收稿日期:2007201208;修订日期:2007202228基金项目:国家自然科学基金资助项目(90205003,10532020,10672156)资助第2期谢中友等:泡沫铝合金填充圆管三点弯曲实验研究105对泡沫铝填充薄壁圆管横向弯曲力学行为的研究尚处于起步阶段,通过实验方法进行定性研究是[12]定量分析的基础。Kim等用实验和数值模拟的方法研究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。但是,Kim等只研

7、究了一种管壁厚度和一种跨径时的结构弯曲行为,而D/t和L/D对圆管三点弯曲行为的影响非常大,需要对此作进一步研究。本文主要通过实验方法,研究了两种不同密度的闭孔泡沫铝合金分别填充三种不同壁厚的铝合金圆管在L/D=5.3,6.6两种跨径下三点弯曲变形模式和承载特点。实验给出了泡沫铝合金填充薄壁圆管的三点弯曲变形模式和载荷位移曲线,着重分析了泡沫铝合金密度、管壁厚度和跨径对结构承载力的影响,同时分析了泡沫铝合金在提高结构承载力中所起的作用机理。1实验材料的力学性质实验采用的薄壁圆管为AA6063T6铝合金圆管

8、,外径D=38mm,有三种不同的壁厚:t=1mm,1.5mm,1.8mm。在管壁材料性质的测试中,拉伸试件是从平行于管的方向上切割出的。图1给出了管壁材料单轴拉伸的工程应力应变曲线,表1列出了三种管壁材料的基本力学性能。表1三种管壁材料的基本力学性能Tab.1Mechanicalpropertiesofthepipewallmaterial编号壁厚t/mm弹性模量E/GPa屈服应力σ0.2/MPa最大应力σu/MPa特征应力σ