泡沫鋁夾芯板的三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)研究和仿真模擬

王 冬，閆 暢，宋緒丁

（長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710064）

泡沫鋁材料具有相對(duì)密度低、質(zhì)量輕、比表面積大、比力學(xué)性能高、阻尼性能好的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)具有輕質(zhì)、吸聲、隔聲、吸能、減震、電磁屏蔽等多種優(yōu)良性能。泡沫鋁的概念最早由美國人B.Sosnick等提出[1]，隨后日本、德國、中國等開始投入研究。泡沫鋁夾芯板具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)度和比剛度的突出特點(diǎn)，并且具有良好的吸能、減震及電磁屏蔽等性能，在汽車制造、軌道交通、航空航天、海運(yùn)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

對(duì)于泡沫鋁夾芯板而言，彎曲是最常見的承載形式，因此需要研究泡沫鋁夾芯板的抗彎強(qiáng)度。Zarei等對(duì)彎曲載荷下的泡沫鋁夾芯板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)研究[2]。查海波等對(duì)泡沫鋁層合梁的彎曲性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，指出其具有良好的復(fù)合性能[3]。范愛琴等通過準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲測(cè)試了不同芯層厚度的泡沫鋁夾芯板的剛度，獲得了載荷-位移曲線和失效形貌[4]。

本工作是對(duì)鋼板為上下面的泡沫鋁夾芯板進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，用ABAQUS仿真模擬了泡沫鋁夾芯板的三點(diǎn)彎曲過程及其失效模式，并將試驗(yàn)和仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及準(zhǔn)備

泡沫鋁夾芯板的芯層是7050基體泡沫鋁，面板用304不銹鋼板。采用線切割將泡沫鋁切割成厚度為15 mm，150 mm*30 mm的板，鋼板切割成厚度為1 mm，150 mm*30 mm的板。制作泡沫鋁夾芯板時(shí)為了得到更好的粘結(jié)性能，首先使用砂紙打磨粘結(jié)面并用清水清洗，然后將其置于120°C恒溫下的電烤箱中烘烤4 h.再使用丙酮清洗泡沫芯體和鋼面板表面；將配好的環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑均勻的涂抹在面板和芯體上粘結(jié)成試樣；將粘結(jié)好的泡沫鋁夾芯板放在刷了環(huán)氧樹脂脫模劑的托盤上，并在試樣上放置特制壓具對(duì)其施壓，把托盤置于恒溫80°C的電烤箱中加熱2 h，加熱結(jié)束后把試件放在室溫下冷卻48 h.實(shí)驗(yàn)制得的泡沫鋁夾芯板如圖1（a）所示。

1.2 試驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)采用WDW-50E微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)泡沫鋁夾芯板進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。如圖1（b）所示，兩個(gè)支座之間的長度L是80 mm，兩邊懸臂梁的長度H都是35 mm，壓頭和支座的直徑d都是10 mm，泡沫鋁夾芯板的寬度b=30 mm，芯層泡沫鋁的厚度c=15 mm，面板的厚度 t=1 mm.壓頭以2 mm/min的位移載荷向下壓泡沫鋁夾芯板，計(jì)算機(jī)會(huì)記錄加載的壓力P和下壓的位移S.

圖1 泡沫鋁夾芯板試樣及三點(diǎn)彎曲示意圖

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

圖2 （a）是泡沫鋁夾芯板三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的結(jié)果圖。由圖可知泡沫鋁夾芯板的芯層出現(xiàn)了裂紋，裂紋是在壓頭下方，芯層和下面板結(jié)合的附近開始產(chǎn)生，并指向壓頭的方向?？芍囼?yàn)的失效模式為芯體剪切。

圖2（b）是泡沫鋁夾芯板的載荷-位移曲線。由圖可知，曲線在O-A區(qū)間內(nèi)呈線性增長，這個(gè)階段是彈性變形階段。載荷曲線在線性增長后進(jìn)入屈服階段，然后在A-C區(qū)間內(nèi)載荷呈非線性變形，此階段是芯層泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)的斷裂和倒塌，這個(gè)過程泡沫鋁充分發(fā)揮了吸能特性。C點(diǎn)之后曲線迅速下降，表示夾芯板芯層內(nèi)部發(fā)生了強(qiáng)烈的孔系結(jié)構(gòu)的破壞或者芯層斷裂。

圖2 泡沫鋁夾芯板的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果及載荷-位移曲線

2 有限元模擬

2.1 有限元模型

利用ABAQUS建立如圖1（b）所示的幾何模型。泡沫鋁夾芯板芯層和面板均采用三維實(shí)體單元C3D8；壓頭和支座采用解析剛體；面板和芯層的結(jié)合面用綁定約束，確保它們不會(huì)脫離；壓頭和支座與面板的接觸設(shè)置為面面接觸，接觸面的切向摩擦系數(shù)為0.2，法向是硬接觸；將支座完全固定，壓頭上施加位移載荷。其中芯層泡沫鋁是以7050鋁合金為基體發(fā)泡形成，面板是304不銹鋼鋼板，它們的材料參數(shù)見表1.采用擴(kuò)展有限元法（XFEM）來模擬泡沫鋁夾芯板三點(diǎn)彎曲失效時(shí)的裂紋模型。分析采用靜態(tài)分析。

表17050 鋁合金和304不銹鋼材料參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果

圖3（a）是泡沫鋁夾芯板在三點(diǎn)彎曲載荷下的應(yīng)力云圖，可以看出仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。都是在壓頭下方，芯層和下面板結(jié)合的附近開始產(chǎn)生裂紋，并且裂紋指向壓頭的方向。

圖3（b）給出了泡沫鋁夾芯板三點(diǎn)彎曲時(shí)壓頭的載荷-位移曲線。由圖可知，數(shù)值模擬的載荷位移曲線和試驗(yàn)的大致相同，都經(jīng)歷了三個(gè)階段：彈性變形階段，即線性增長階段；屈服階段，即非線性變形階段；快速下降階段，即完全破壞階段。

圖3 泡沫鋁夾芯板的三點(diǎn)彎曲仿真結(jié)果及載荷-位移曲線

3 結(jié)論

使用粘結(jié)法制備泡沫鋁夾芯板，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，并用ABAQUS做了三點(diǎn)彎曲仿真模擬；試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合，并得到以下結(jié)論：

（1）三點(diǎn)彎曲過程分為三個(gè)階段：彈性變形階段、屈服階段和完全破壞階段。其中屈服階段持續(xù)的時(shí)間最長。

（2）泡沫鋁夾芯板在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)下的主要失效模式表現(xiàn)為芯體剪切失效模式。