吳鵬,鮑海英,李愛群
泡沫鋁夾芯雙管構(gòu)件橫向壓縮吸能性能研究
吳鵬1,鮑海英2*,李愛群3,4
(1.東南大學建筑設計研究院有限公司,南京 210096;2.安徽工業(yè)大學 建筑工程學院,安徽 馬鞍山 243002;3.東南大學 土木工程學院,南京 210096;4.北京建筑大學 土木與交通工程學院,北京 100044)
研究截面構(gòu)型及幾何參數(shù)對泡沫鋁夾芯雙管結(jié)構(gòu)在橫向載荷作用下變形失效機制和吸能性能的影響。運用有限元軟件Abaqus/Explicit對泡沫鋁夾芯雙管構(gòu)件受橫向載荷作用進行數(shù)值仿真分析。泡沫鋁夾芯雙管構(gòu)件在橫向壓縮過程中表現(xiàn)出3個階段:初始壓縮階段、塑性變形階段和致密化階段,并發(fā)現(xiàn)外方內(nèi)圓雙管夾芯結(jié)構(gòu)的耐撞性能顯著強于雙方管夾芯結(jié)構(gòu)。隨著外管徑的增大、內(nèi)管徑的減小,外方內(nèi)圓雙管夾芯結(jié)構(gòu)的承載力和吸能能力越高;內(nèi)管壁厚的增加使外方內(nèi)圓雙管夾芯結(jié)構(gòu)的能量吸收、比吸能、平均壓潰載荷和壓潰力效率均表現(xiàn)出增大趨勢。泡沫鋁芯材的變形失效模式受內(nèi)管截面形狀的影響,與傳統(tǒng)雙方管夾芯結(jié)構(gòu)相比,外方內(nèi)圓雙管夾芯結(jié)構(gòu)是一種更優(yōu)秀的吸能構(gòu)件,在橫向碰撞安全防護中展現(xiàn)出更大的應用潛力。通過增加內(nèi)外管間距和內(nèi)管壁厚,可以提高外方內(nèi)圓雙管夾芯結(jié)構(gòu)的吸能性能。
泡沫鋁;夾芯雙管;橫向壓縮;吸能性能;數(shù)值模擬
薄壁金屬管結(jié)構(gòu)具有比剛度和比強度高的優(yōu)點,在壓縮過程中可以吸收大量的動能并將其轉(zhuǎn)化為塑性應變能[1],常作為吸能元件應用于汽車、航空航天、交通等領(lǐng)域,但存在易發(fā)生歐拉屈曲失穩(wěn)、非軸向承載能力差等問題。作為一種新型吸能材料,泡沫鋁具有低密度、阻尼性能好、吸能效果穩(wěn)定等優(yōu)點,在減振、抗沖擊及吸能方面有著優(yōu)異的性能表現(xiàn)。將泡沫鋁與薄壁金屬管結(jié)構(gòu)相結(jié)合,制備出泡沫鋁填充管復合結(jié)構(gòu),可以在不明顯增加總質(zhì)量的同時大幅提高構(gòu)件承載能力和能量吸收性能,具有顯著的工程應用價值,得到越來越多學者的關(guān)注。
研究表明,在軸向壓潰變形過程中,薄壁管結(jié)構(gòu)與泡沫鋁兩者之間的相互作用使得復合結(jié)構(gòu)的軸向平均壓潰載荷遠大于單獨壓潰薄壁管結(jié)構(gòu)和泡沫鋁的平均壓潰載荷之和,且其能量吸收能力也顯著增強[2-5]。與泡沫鋁填充單管相比,泡沫鋁填充多管展示出更好的軸向吸能性能。張勇等[6-7]對泡沫鋁填充雙方管的軸向壓潰性能開展了研究,結(jié)果表明,與泡沫鋁填充單管及空心雙管相比,填充雙管結(jié)構(gòu)展示了更強的耐撞性能。Cenk等[8]研究了軸向沖擊作用下泡沫鋁填充單圓波紋管及雙圓波紋管的吸能特性,發(fā)現(xiàn)泡沫鋁填充雙圓波紋管的比吸能值最高。Manmohan等[9]研究發(fā)現(xiàn),對于圓管和方管2種構(gòu)型截面,泡沫鋁填充雙管結(jié)構(gòu)的能量吸收能力較泡沫鋁填充單管結(jié)構(gòu)均更優(yōu)秀。
然而,在實際使用過程中,吸能結(jié)構(gòu)所受荷載的方向具有隨機性,除了軸向荷載外,還不可避免地受到橫向荷載的作用。因泡沫鋁填充管結(jié)構(gòu)在橫向方向上的受力情況與軸向完全不同,學者對其在橫向方向上的壓縮性能也進行了研究??到üΦ萚10]開展了泡沫鋁填充鋼管的橫向壓縮試驗,發(fā)現(xiàn)對比空管、填充管的側(cè)向承載能力和吸能能力都有顯著的提高。黃志超等[11]研究了橫向沖擊載荷下泡沫鋁填充薄壁金屬圓管的吸能性能,與空管相比,泡沫鋁填充管的沖擊載荷、總吸能及比吸能顯著增大。Yin等[12]通過試驗和數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn),在橫向沖擊作用下,泡沫鋁填充多管結(jié)構(gòu)在多數(shù)情況下都較單管結(jié)構(gòu)表現(xiàn)更好。Shen等[13]對泡沫鋁夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)進行了橫向壓縮性能研究,試驗中觀察到3種失效模式,得到了漸進的倒塌過程和載荷-位移曲線,并發(fā)現(xiàn)夾芯管的能量吸收能力大于單獨內(nèi)管、外管和芯層吸能之和。劉志芳等[14-15]通過數(shù)值模擬的方法研究了泡沫鋁夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)在橫向沖擊載荷下的變形模式和吸能性能,討論了幾何參數(shù)、泡沫鋁的相對密度、沖擊速度及橫向約束等對其力學行為的影響。于學會等[16]對受“V型”約束泡沫鋁夾芯雙圓管的準靜態(tài)橫壓性能進行了實驗研究,發(fā)現(xiàn)夾芯管的承載和吸能能力隨外管直徑的增加、內(nèi)管直徑的減小及約束夾角的增大而增加。
綜上所述,與薄壁管結(jié)構(gòu)相比,泡沫鋁填充管結(jié)構(gòu)綜合了泡沫鋁與薄壁管的優(yōu)點,不僅有較高的承載能力,還具有良好的能量吸收特性,且夾芯雙管結(jié)構(gòu)相對單管填充結(jié)構(gòu)普遍具有更高的吸能性能。但目前有關(guān)泡沫鋁夾芯雙管結(jié)構(gòu)在橫向壓縮載荷下的吸能性能研究主要集中于泡沫鋁夾芯雙圓管結(jié)構(gòu),對其他截面構(gòu)型的夾芯雙管結(jié)構(gòu)鮮有報道。單一的泡沫鋁夾芯雙圓管結(jié)構(gòu)難以滿足不同應用場景的需求,故有必要對其他截面構(gòu)型的泡沫鋁夾芯雙管構(gòu)件在橫向壓縮載荷下的吸能特性進行研究。本文對外方內(nèi)方的泡沫鋁夾芯雙管結(jié)構(gòu)和外方內(nèi)圓的泡沫鋁夾芯雙管結(jié)構(gòu)的橫向吸能過程進行分析,并討論幾何參數(shù)(內(nèi)、外管徑和內(nèi)、外管壁厚)對外方內(nèi)圓雙管夾芯結(jié)構(gòu)耐撞性的影響。
采用有限元軟件Abaqus/Explicit模擬泡沫鋁夾芯雙管構(gòu)件在橫向壓縮載荷作用下的加載過程。圖1為建立的泡沫鋁夾芯雙鋁管試件的有限元仿真模型。薄壁鋁管采用S4R單元,材料模型為彈塑性模型,模型參數(shù)采用文獻[17]中鋁材室溫拉伸試驗結(jié)果,其中真實應力-塑性應變曲線如圖2所示。泡沫鋁采用C3D8R單元,材料模型選擇可壓扁泡沫材料(Crushable Foam),應力-應變曲線選用文獻[18]中準靜態(tài)壓縮作用下的泡沫鋁試驗的關(guān)系曲線,如圖3所示。本文僅進行準靜態(tài)壓縮的有限元模擬研究,因而材料模型中不考慮應變率效應。泡沫鋁夾芯雙管構(gòu)件放置于2個剛性板之間,剛性板使用離散剛體(Discrete Rigid)模擬,支撐剛性板完全固定,加載剛性板僅保留軸方向(豎向)平動自由度。采用通用接觸(General Contact)來定義計算過程中所有可能的接觸,接觸的切向行為為罰函數(shù)形式的摩擦接觸,摩擦因數(shù)為0.25,接觸的法向行為采用硬接觸。加載剛性板上需要施加一定的速度使其向下壓縮構(gòu)件,為減小加載速率不連續(xù)引起的波動,選擇Smooth-Step幅值曲線對加載剛性板施加速度,速度-時程曲線如圖4所示。這里幅值曲線中的設置為1 m/s,以提高計算效率。
圖1 泡沫鋁夾芯雙管構(gòu)件的有限元模擬
圖2 鋁合金的真實應力-塑性應變曲線
圖3 泡沫鋁的應力-應變曲線
圖4 準靜態(tài)模擬中加載剛性板的速度-時程曲線示意圖
本文研究了截面形狀,內(nèi)、外管徑以及內(nèi)、外管壁厚對泡沫鋁夾芯雙管構(gòu)件吸能性能的影響,試件參數(shù)如表1所示。表1中SSCT表示夾芯雙管的內(nèi)、外管均為方形鋁管,SCCT表示夾芯雙管的外管為方形鋁管,內(nèi)管為圓形鋁管;o為試件外管邊長,i為內(nèi)管邊長(方管)或直徑(圓管);o為外管壁厚,i為內(nèi)管壁厚,所有試件的長度均為50 mm。
表1 試件參數(shù)
Tab.1 Specimen parameters
為驗證本文數(shù)值仿真的可靠性,對文獻[17]在橫向壓潰作用下薄壁方鋁管試驗和泡沫鋁填充方鋁管試驗進行了數(shù)值模擬。試驗中的薄壁方管材料型號為鋁合金T6063-T6,其彈性模量=56.28 GPa,泊松比=0.254,初始屈服應力σ=181.66 MPa,鋁合金材料塑性段的本構(gòu)曲線如圖2所示。試驗中的泡沫鋁密度=450 kg/m3,彈性模量=65 MPa,塑性泊松比為p=0.05,壓縮屈服應力比=1.643,屈服應力σ=6.95 MPa,泡沫鋁材料的應力-應變曲線如圖3所示。對于泡沫鋁填充管構(gòu)件,泡沫鋁直接放入薄壁方管中,兩者之間的界面不做連接處理,利用萬能試驗機開展薄壁方管及泡沫鋁填充薄壁管試件的準靜態(tài)橫向壓潰試驗。試驗曲線由加載設備內(nèi)置的力和位移傳感器采集獲得,用數(shù)碼相機記錄加載試件的變形過程。
薄壁方鋁管試件的幾何尺寸:管的外邊長=50 mm,長度=50 mm,壁厚=1.3 mm,試驗加載速率為4 mm/min。圖6a顯示了方管橫向壓縮的有限元模型,模型的幾何參數(shù)設計與試驗試樣同步,采用smooth-step幅值曲線施加速度。為了提高計算效率,將幅值曲線中的設置為1 m/s。采用通用接觸定義加載過程中所有可能的接觸,接觸的切向行為為罰函數(shù)形式的摩擦接觸,摩擦因數(shù)為0.25,接觸的法向行為采用硬接觸,網(wǎng)格大小為1 mm。方管橫向壓縮載荷-位移曲線的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果如圖5a所示。在上述薄壁方管的基礎(chǔ)上,泡沫鋁填充方管試件中填充密度為450 kg/m3的泡沫鋁,其余參數(shù)與方管保持一致。圖5b為所得載荷-位移曲線的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的比較。
通過數(shù)值模擬得到的方管力-位移曲線和試驗結(jié)果基本吻合,初始峰值相差8.82%左右,平臺變化趨勢及平臺段載荷值也相差不大,在可接受的范圍內(nèi)。在整個加載過程中,總動能與總內(nèi)能的比值都小于5%。橫向壓縮泡沫鋁填充方管的數(shù)值模擬與試驗結(jié)果吻合較好,兩者曲線變化趨勢及平臺段載荷值基本保持一致。此次有限元模擬的計算精度較高,符合數(shù)值模擬計算要求。
2種試件試驗變形與有限元模擬變形的對比如圖6所示。由有限元模擬變形圖可以看出,泡沫鋁的填充使空心方管的變形失效模式由“啞鈴”形轉(zhuǎn)變?yōu)閮蛇呁蛊?、中間上下平行的“跑道”形,符合試驗的變形模式。
綜上所述,采用以上方法建立的有限元模型是可靠的,可以進行下一步的分析。
本文采用能量吸收(EA)、比吸能(SEA)、平均壓潰載荷(m)以及壓潰力效率(CFE)4個指標來定量評估泡沫鋁夾芯雙管構(gòu)件在橫向載荷作用下的耐撞性。
圖5 數(shù)值模擬與試驗載荷-位移曲線對比
圖6 試驗與模擬的壓縮變形過程對比
能量吸收EA定義為結(jié)構(gòu)在壓縮行程內(nèi)吸收的能量,定義為:
式中:為結(jié)構(gòu)承載力;為加載位移;為結(jié)構(gòu)的壓縮行程,為便于對比不同結(jié)構(gòu)間的能量吸收,設其值為夾芯管外管邊長的50%。
比吸能SEA定義為單位質(zhì)量的能量吸收,即:
式中:為結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量。SEA越大表明結(jié)構(gòu)的能量吸收效率越高。
平均壓潰載荷m可由式(3)計算。
壓潰力效率CFE為平均壓潰載荷與峰值載荷(PCF)的比值。CFE值越大,峰值載荷與平均壓潰載荷之間的差異越小,表明壓潰過程中構(gòu)件的載荷波動性較小,理想的吸能構(gòu)件CFE應為1,其表達式為:
橫向壓縮作用下,SSCT和SCCT-02構(gòu)件的變形過程如圖7所示。由圖7可知,2種不同截面構(gòu)型的夾芯雙管構(gòu)件外管的變形失效模式與泡沫鋁填充單管構(gòu)件外管的橫壓變形模式類似。內(nèi)管的截面形狀影響泡沫鋁芯材的變形失效模式,方形內(nèi)管的變形失效模式與空心方管的變形失效模式類似,圓形內(nèi)管的變形失效模式與空心圓管的變形失效模式[13]類似。在塑性變形階段,2種類型的夾芯雙管內(nèi)外管壁和芯材同時發(fā)生變形。對于SCCT-02構(gòu)件,壓頭下方區(qū)域的芯材發(fā)生了壓潰變形(圖中虛線圈所標記),而在SSCT構(gòu)件中,泡沫鋁芯材未見明顯的壓潰現(xiàn)象。
圖7 泡沫鋁夾芯雙管構(gòu)件模擬橫向壓縮變形過程
2種不同截面形狀的泡沫鋁夾芯雙管構(gòu)件在橫向壓縮作用下的載荷-位移曲線如圖8所示。整個壓縮過程基本可分為3個階段:第1階段為壓縮變形的初始階段,在此階段卸載,結(jié)構(gòu)的變形基本可以恢復;第2階段為塑性變形階段,內(nèi)外管和芯材一起發(fā)生變形;第3階段為致密化階段,內(nèi)管壁被壓實,泡沫鋁芯材開始進入密實階段。在初始變形階段,2種夾芯雙管構(gòu)件的壓縮曲線基本重合,說明此階段主要由外管控制。進入塑性階段后,SSCT構(gòu)件的載荷隨加載位移的增大先迅速減小后趨于平緩。SCCT-02構(gòu)件的承載能力顯著大于SSCT構(gòu)件的,且其載荷變化幅度明顯小于SSCT構(gòu)件。說明相較于外方內(nèi)方的泡沫鋁夾芯雙管構(gòu)件,外方內(nèi)圓的泡沫鋁夾芯雙管構(gòu)件是一種更優(yōu)秀的吸能構(gòu)件。造成這種現(xiàn)象的原因可能在于,在橫向壓縮作用下,塑性階段的圓管發(fā)生硬化現(xiàn)象,方管發(fā)生軟化現(xiàn)象,兩者展示出不同的變化趨勢[19];對于這2種類型的夾芯雙管構(gòu)件,圓形內(nèi)管和芯材的接觸面積更大(如圖7所示),相互作用更強。繼續(xù)增加壓頭位移,芯材進入密實階段,內(nèi)管壁發(fā)生自接觸,2種類型構(gòu)件的載荷隨位移增大均迅速增加。
如圖9所示,SCCT-02構(gòu)件的EA、SEA、m和CFE比SSCT構(gòu)件的分別提高了30.34%、27.36%、30.34%和38.17%,說明外方內(nèi)圓的泡沫鋁夾芯雙管構(gòu)件的耐撞性能明顯優(yōu)于外方內(nèi)方的泡沫鋁夾芯雙管構(gòu)件的耐撞性能。由此可見,在外管固定、內(nèi)管徑和壁厚相同的工況下,采用圓形截面的內(nèi)管代替方形內(nèi)管將顯著提升夾芯雙管的吸能性能,從而節(jié)省材料,更具有經(jīng)濟性。故選定外方內(nèi)圓的泡沫鋁夾芯雙管結(jié)構(gòu)作為研究對象開展進一步的參數(shù)研究。
圖8 泡沫鋁夾芯雙管構(gòu)件模擬載荷-位移曲線
為研究幾何參數(shù)對外方內(nèi)圓的泡沫鋁夾芯雙管結(jié)構(gòu)變形及吸能特性的影響,本節(jié)給出了4種不同內(nèi)、外管徑和4種不同內(nèi)、外管壁厚的分析結(jié)果。
2.3.1 內(nèi)、外管徑的影響
圖10給出了不同內(nèi)、外管徑的泡沫鋁夾芯雙管構(gòu)件的載荷-位移曲線,可見隨著外管徑的增加和內(nèi)管徑的減小,泡沫鋁夾芯雙管的橫向壓縮承載能力逐漸增大。4組不同管徑的夾芯管構(gòu)件橫壓載荷-位移曲線變化趨勢基本是一致的,說明管徑的變化對夾芯管構(gòu)件橫壓變形模式未產(chǎn)生明顯影響。
橫向壓縮荷載作用下,不同管徑的SCCT構(gòu)件能量吸收、比吸能、平均壓潰載荷和壓潰力效率如表2所示。由表2可知,內(nèi)、外管徑對SCCT構(gòu)件的橫向耐撞性能有顯著影響,SCCT構(gòu)件的能量吸收、比吸能和平均壓潰載荷隨著外管徑的增加、內(nèi)管徑的減小而增大,即芯材越厚,夾芯管的承載和能量吸收能力越大,這與文獻[14]中的結(jié)論一致。隨著內(nèi)、外管徑的變化,SCCT構(gòu)件的壓潰力效率基本都保持在0.65以上。
圖9 SSCT和SSCT-02構(gòu)件耐撞性的對比
圖10 內(nèi)、外管徑對SCCT構(gòu)件載荷-位移曲線的影響
表2 不同管徑的SCCT構(gòu)件耐撞性能
Tab.2 Crashworthiness of SCCT components with different tube diameters
2.3.2 內(nèi)、外管壁厚的影響
圖11給出了不同內(nèi)、外管壁厚的泡沫鋁夾芯雙管構(gòu)件的載荷-位移曲線。可見隨著內(nèi)、外管壁厚的增加,泡沫鋁夾芯雙管的橫向壓縮承載能力基本也呈增強的趨勢。4組不同壁厚的夾芯管構(gòu)件橫壓載荷-位移曲線變化趨勢基本是一致的,說明壁厚的變化對夾芯管構(gòu)件橫壓變形模式未產(chǎn)生明顯影響。值得注意的是,初始階段的載荷曲線對外管壁厚的變化較為敏感,表現(xiàn)為隨外管壁厚的增加,初始階段的承載能力增加,這佐證了初始階段主要由外管控制的推斷是合理的。
在橫向壓縮荷載作用下,不同壁厚的SCCT構(gòu)件能量吸收、比吸能、平均壓潰載荷和壓潰力效率如表3所示。由表3可知,隨著外管壁厚的增加,SCCT構(gòu)件的能量吸收和平均壓潰載荷呈增大的趨勢,比吸能和壓潰力效率卻出現(xiàn)無規(guī)律的波動。與外管壁厚相比,內(nèi)管壁厚的增加不僅會顯著增強SCCT構(gòu)件的吸能性能,壓潰力效率也呈增大的趨勢,意味著增加內(nèi)管壁厚還有利于降低SCCT構(gòu)件的載荷波動性。
圖11 內(nèi)、外管壁厚對SCCT構(gòu)件載荷-位移曲線的影響
表3 不同壁厚的SCCT構(gòu)件耐撞性能
Tab.3 Crashworthiness of SCCT components with different wall thickness
本文采用Abaqus/Explicit非線性有限元軟件建立了泡沫鋁填充雙管構(gòu)件在橫向載荷下的模型,討論了截面形狀和幾何參數(shù)對夾芯雙管構(gòu)件變形和吸能特性的影響。通過以上研究,本文主要得出以下結(jié)論:
1)無論是外方內(nèi)方的泡沫鋁夾芯雙管,還是外方內(nèi)圓的泡沫鋁夾芯雙管,2種構(gòu)件的橫向壓縮過程均表現(xiàn)出3個階段:初始壓縮階段、塑性變形階段和致密化階段。泡沫鋁芯材的變形失效模式與內(nèi)管的截面形狀相關(guān)。在外管固定、內(nèi)管徑和壁厚相同的工況下,采用圓形截面的內(nèi)管替代方形截面的內(nèi)管將極大提高夾芯雙管構(gòu)件的耐撞性能。
2)對于外方內(nèi)圓的泡沫鋁夾芯雙管構(gòu)件,外管徑越大,內(nèi)管徑越小,即泡沫鋁芯材厚度越大,結(jié)構(gòu)的承載力和吸能能力越高。
3)與外管壁厚相比,內(nèi)管壁厚的變化對結(jié)構(gòu)耐撞性能的影響更為明顯。隨著內(nèi)管壁厚的增加,外方內(nèi)圓的泡沫鋁夾芯雙管構(gòu)件的能量吸收、比吸能、平均壓潰載荷和壓潰力效率均呈現(xiàn)出增大的趨勢。
[1] PUGSLEY A. The large-Scale Crumpling of Thin Cylindrical Columns[J]. The Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics, 1960, 13(1): 1-9.
[2] HANSSEN A G, LANGSETH M, HOPPERSTAD O S. Static and Dynamic Crushing of circular Aluminium Extrusions with Aluminium Foam Filler[J]. International Journal of Impact Engineering, 1999, 24(8): 475-507.
[3] LI Z B, CHEN R, LU F Y. Comparative Analysis of Crashworthiness of Empty and Foam-Filled Thin- Walled Tubes[J]. Thin-Walled Structures, 2018, 124: 343-349.
[4] SU M M, WANG H, HAO H. Axial and Radial Compressive Properties of Alumina-Aluminum Matrix Syntactic Foam Filled Thin-Walled Tubes[J]. Composite Structures, 2019, 226: 111197.
[5] WANG L, ZHANG B Y, ZHANG J, et al. Deformation and Energy Absorption Properties of Cenosphere-Aluminum Syntactic Foam-Filled Tubes under Axial Compression[J]. Thin-walled Structures, 2021, 160: 107364.
[6] 張勇, 林福泳. 鋁泡沫填充薄壁結(jié)構(gòu)耐撞可靠性優(yōu)化設計[J]. 機械工程學報, 2011, 47(22): 93-99.
ZHANG Yong, LIN Fu-yong. Crashworthiness Reliability Design Optimization of Aluminum Foam Filled Thin-Wall Structures[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2011, 47(22): 93-99.
[7] ZHANG Y, SUN G, LI G, et al. Optimization of Foam-Filled Bitubal Structures for Crashworthiness Criteria[J]. Materials & Design, 2012, 38: 99-109.
[8] CENK K. Numerical Crushing Analysis of Aluminum Foam-Filled Corrugated Single and Double-Circular Tubes Subjected to Axial Impact Loading[J]. Thin-Walled Structures, 2015, 96: 82-94.
[9] MANMOHAN D G. Deformation, Energy Absorption and Crushing Behavior of Single, Double and Multi-Wall Foam Filled Square and Circular Tubes[J]. Thin-Walled Structures, 2015, 90: 1-11.
[10] 康建功, 石少卿, 張忠. 泡沫鋁填充鋼管橫向壓縮吸能特性試驗[J]. 重慶大學學報, 2010, 33(7): 68-73.
KANG Jian-gong, SHI Shao-qing, ZHANG Zhong. Experimental Studies on the Energy Absorption Property of Aluminum Foam Filled Steel Pipe under Transverse Compression[J]. Journal of Chongqing University (Natural Science Edition), 2010, 33(7): 68-73.
[11] 黃志超, 劉志芳, 路國運. 側(cè)向沖擊載荷下金屬薄壁圓管內(nèi)填充泡沫鋁的吸能特性研究[J]. 太原理工大學學報, 2017, 48(2): 243-249.
HUANG Zhi-chao, LIU Zhi-fang, LU Guo-yun. Study on Energy Absorption Properties of Aluminum Foam-Filled Thin-Walled Metal Tubes under Lateral Impact Loading[J]. Journal of Taiyuan University of Technology, 2017, 48(2): 243-249.
[12] YIN H F, XIAO Y Y, WEN G L, et al. Multiobjective optimization for Foam-Filled Multi-Cell Thin-Walled Structures under Lateral Impact[J]. Thin-Walled Structures, 2015, 94: 1-12.
[13] SHEN J H, LU G X, RUAN D, SEAH C C. Lateral Plastic Collapse of Sandwich Tubes with Metal Foam Core[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2015, 91: 99-109.
[14] 劉志芳, 王軍, 秦慶華. 橫向沖擊載荷下泡沫鋁夾芯雙圓管的吸能研究[J]. 兵工學報, 2017, 38(11): 2259-2267.
LIU Zhi-fang, WANG Jun, QIN Qing-hua. Research on Energy Absorption of Aluminum Foam-Filled Double Circular Tubes under Lateral Impact Loadings[J]. Acta Armamentarii, 2017, 38(11): 2259-2267.
[15] 崔堯堯, 劉志芳, 李世強. 橫向沖擊載荷下不同約束泡沫鋁夾芯圓管的動態(tài)響應[J]. 應用力學學報, 2021, 38(1): 26-34.
CUI Yao-yao, LIU Zhi-fang, LI Shi-qiang. Dynamic Response of Aluminum Foam Sandwich Circular Tubes with Different Constraints under Lateral Impact Loadings[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2021, 38(1): 26-34.
[16] 于學會, 王茗仕, 楊彥. “V型” 約束下泡沫鋁夾芯圓管的準靜態(tài)橫向壓縮性能研究[J]. 固體力學學報, 2023, 44(2): 197-208.
YU Xue-hui, WANG Ming-shi, YANG Yan. Study on Quasi-Static Transverse Compression Performance of Aluminum Foam Sandwich Circular Tube under "V" Constraint[J]. Chinese Journal of Solid Mechanics, 2023, 44(2): 197-208.
[17] ZHU G, ZHAO Z, HU P, et al. On Energy-Absorbing Mechanisms and Structural Crashworthiness of Laterally Crushed Thin-Walled Structures Filled with Aluminum Foam and CFRP Skeleton[J]. Thin-Walled Structures, 2021, 160(1): 107390.
[18] ZHU G H, WANG Z, HUO X T, et al. Experimental and Numerical Investigation into Axial Compressive Behaviour of Thin-Walled Structures Filled with Foams and Composite Skeleton[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2017, 122: 104-119.
[19] WANG X, YIN W L, ZOU L X, et al. Curved and Straight Combined Cross-Section Structure for Energy Absorption[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2022, 224: 107333.
Energy Absorption Performance of Aluminum Foam Sandwiched Double-tube under Transverse Compression
WU Peng1, BAO Hai-ying2*, LI Ai-qun3,4
(1. Southeast University Architectural Design and Research Institute Co., Ltd., Nanjing 210096, China; 2. School of Architecture and Engineering, Anhui University of Technology, Ma'anshan 243002, China; 3. School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China; 4. School of Civil and Transportation Engineering, Beijing University of Architecture, Beijing 100044, China)
The work aims to study the effects of section configuration and geometric parameters on the deformation mechanism and energy absorption performance of aluminum foam sandwiched double-tube under transverse load. Finite element software Abaqus/Explicit was used to carry out numerical simulation on the aluminum foam sandwiched double-tube under transverse load. The aluminum foam sandwiched double-tube exhibited three stages in the process of transverse compression, namely, the initial compression stage, the plastic deformation stage, and the densification stage. It was also found that the crashworthiness of a novel aluminum foam sandwiched double-tube, comprised of square outer and circular inner tubes, was significantly stronger than that of the double square tube structure. As the outer tube diameter increased and the inner tube diameter decreased, the load-bearing capacity and energy absorption capacity of the novel aluminum foam sandwiched double-tube increased. The increase in wall thickness of the inner tube resulted in an increasing trend in energy absorption, specific energy absorption, average crushing load, and crushing force efficiency. The deformation failure mode of aluminum foam core material is affected by the section shape of the inner tube. Compared with the traditional double square tube structure, the novel sandwiched double-tube is a better energy-absorbing component, which shows greater application potential in the safety protection of lateral collision. By increasing the distance between the inner and outer tubes and the wall thickness of the inner tube, the energy absorption performance of the novel sandwiched double-tube can be improved.
aluminum foam; sandwiched double-tube; transverse compression; energy absorption performance; numerical simulation
TB485.1;O347
A
1001-3563(2023)23-0293-09
10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.23.035
2023-05-22
安徽工業(yè)大學校自然基金青年項目(QZ202211)
責任編輯:曾鈺嬋