多孔金属夹芯板在冲击载荷下的动态力学行为研究

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可以用来进一步分析夹芯板的抗撞击性能。
图11 泡沫铝夹芯板的变形模态 Fig.11 Deformation mode of sandwich panel
图12 夹芯板后面板挠度模拟与实验结果 Fig.12 Experimental and numerically predicated deflections
地减小后面板的挠度,提高夹芯板的抗撞击能力。研究结果对多孔金属夹芯板的优化设计
具有一定得参考价值。
关键词:多孔金属;夹芯板;冲击载荷;动态力学行为
中图分类号:O347
文献标识码:A
1.引言
多孔金属材料是以金属为骨架,包含贯通或非贯通的二维或三维空隙的非密实性(一般 孔隙率大于 90%)新型多功能材料。凭借其高比强度、高比刚度和较高的能量吸收能力等 优越特性[1,2],在航空航天飞行器、高速列车、汽车、舰船以及人体防护和军事防护工程中 的缓冲装置、减震设施以及汽车保险杠等安全装置中有重要的应用。但因其强度不高,在很 多应用领域受到限制[3]。多孔金属夹芯板是由复合材料或金属面板与和多孔金属芯层(格栅、 金属泡沫和点阵材料等)构成的组合结构。这种结构既具有多孔金属材料独特的性能,同时 解决其强度低的问题,引起了学术界和工程界的极大关注。许多学者对多孔金属夹芯板的力 学性能开展了系统的研究,对夹芯板的冲击失效模式、能量耗散机理和结构拓扑优化设计的 研究日益深入[4-7]。Qiu 等[8]建立了固支夹芯圆板在冲击载荷下动力响应的解析模型,分析了 夹芯板在撞击载荷下的变形历史,并应用有限元方法验证了分析模型的正确性。研究结果表 明,芯层压缩强度和面板应变强化性对结构响应的影响不大。Xue 等[9]理论和数值验证了芯 层强度较高的夹芯板比等质量的实体板具有较高的承受均布脉冲载荷的能力。并通过系统的 对比分析强调了夹芯结构的结构优势。在理论分析的基础上,Hutchinson 等[10]利用三维有限 元模型数值研究了夹芯板在爆炸载荷作用下的抗冲击性能,得到了夹芯板的最优拓扑构型。 并阐述了由于流固耦合作用,夹芯板在抵抗水下爆炸时比等质量实体板具有本质的结构优 势。Hanseen 等[11]基于实验研究结果,应用有限元程序 LS-DYNA 对鸟撞泡沫铝夹芯板进行 了分析。模拟中泡沫铝的本构模型选用了*MAT_DESHPANDE_FLECK_FOAM,铝板选用 *MAT_DAMAGE_1 本构模型。结果表明选用的本构模型能够很好地预测夹芯板的局部应 变、局部失效及整体变形行为。大多数研究局限于理论分析和数值模拟,这主要是因为实验 研究多孔金属夹芯结构在强冲击载荷作用下的动力学特性和失效机理主要采用爆炸加载获
2.1 实验过程 本实验中,夹芯板由上下两层面板和泡沫铝芯层用HY-914胶粘接构成,其简化模型的尺
寸为300 mm ×300 mm ,如图3所示。为与实际工程中的固支连接条件相符合,夹芯板由两块 加工平整的18 mm 厚钢板采用M16的螺栓固夹。面板为2A12-O铝合金,其力学性能参数如 下:密度 ρ = 2700Kg ⋅ m−3 ,杨氏模量 E = 72.4GPa ,剪切模量 G = 28GPa ,泊松比 μ = 0.33 ,屈服强度ο fY = 75.8MPa 。泡沫铝芯层为虹波金属材料公司生产的泡沫铝板材; 泡沫子弹为Alporas泡沫铝 (Shinko Wire Com, 德国),圆柱形泡沫铝子弹直径为36.5 mm , 长为80 mm 。两种泡沫材料的主要性能见表1。动态冲击载荷通过空气动力枪驱动泡沫铝金 属子弹撞击加载实现,子弹速度由空气动力枪气压控制,本实验发射速度为 50m / s 至 203m / s ,如图4所示。考察了不同三种不同芯层厚度(10 mm ,20 mm 和30 mm )、面板 厚度(0.5 mm ,0.8 mm 和1.0 mm )以及不同加载冲量(从0.74 N ⋅ s 至5.50 N ⋅ s )对夹芯板
夹芯板泡沫芯层承载绝大部分的剪切载荷,当加载冲量较大时芯层出现了剪切模式。由 于边界夹固螺栓的施力不均匀和泡沫材料的不均匀,实验中芯层剪切并不一定出现理想的沿 着中性面 45 度方向的对称剪切模态。从实验结果可以看出芯层剪切模式通常伴随着界面失 效,这主要是由于胶合层的强度低于芯层的剪切强度造成的。
得强冲击载荷。但是实验中使用炸药这一高能物质有许多困难:安全性差、需要专用场地而 且技术复杂,特别是难以精确得到预先设定的冲量。为了能在常规实验室条件下频繁地验证 模型和对设计原型进行实验研究,Radford 等[12]提出了一种新的使用金属泡沫子弹撞击产生 强压力脉冲模拟炸药爆炸产生冲击载荷的实验方法。所给出的冲量可以通过改变子弹长度、 子弹密度及冲击速度来实现。利用这种加载方式,Radford[13]和 McShane[14]实验研究了固支 夹芯板的动力响应。结果表明泡沫金属子弹撞击加载是一种方便的研究结构动态响应的实验 工具。以上研究表明,强动载荷下多孔金属夹芯结构的动力响应已成为当前学术界研究的焦 点。但是,该领域的研究仍处于起步阶段,许多工作还很不完善。因此,有必要对撞击载荷 作用下泡沫铝夹芯板的塑性动力响应作进一步系统深入的研究。
1基金项目:国家自然科学基金资助项目(10572100、90716005、10802055),山西省自然科学基金资助项目(2007021005),山 西省高等学校优秀青年学术带头人支持计划和山西省留学回国人员科研资助项目(2009-27) 作者简介:敬霖(1984 -),男,博士研究生, E-mail: jinglin_426@163.com 通讯作者:王志华(1977-),男,副教授,现主要从事多孔金属夹芯结构的动力响应研究, E-mail: wangzh623@yahoo.com.cn
多孔金属夹芯板芯层的变形按照破坏程度的不同分为压缩区和无压缩区,如图 7 所示。 压缩主要发生在承载中心区域,该区域可观察到局部的塑性大变形,泡沫孔壁弯曲、坍塌甚 至胞孔完全闭合;在距离加载区域较远处以及固支端,泡沫芯层几乎没有发生任何变化,该 区域我们定义为无压缩区域。Tan 等[16-17]研究了多孔物质的压缩/密实化过程。结果表明, 多孔物质呈现渐进压缩,且泡沫金属微观结构逐层坍塌直至完全密实化。实验中,夹芯板金 属泡沫芯层的变形呈现了类似的变形模式。 2.2.4 芯层剪切
杨氏模量
( GPa )
泊松比
308
0.38
0.20
230
1.0
0.33
屈服强度
( MPa )
2.4 1.5
图 4 动态加载实验装置示意图 Fig.4 Experimental set-up under impact loading
2.2 多孔金属夹芯板的冲击破坏模式 2.2.1 压痕失效
多孔金属夹芯结构在冲击载荷下可能导致面板、芯层材料及面板-芯层界面的失效。面 板的破坏模式通常类似于实体结构。破坏初始极限和破坏区域大小取决于芯层材料性质及 芯层和面板材料属性之间的关系[15]。泡沫金属子弹撞击载荷下,夹芯板主要表现为子弹 作用区域的压痕失效和撞击周边区域的整体大变形。在夹芯板的压痕变形过程中,压头区 域的泡沫金属压缩,面板发生弯曲变形。实验试件中压痕失效未出现破坏,压痕深度与加 载冲量和面板的延展性有关。图 5 给出了撞击载荷下多孔金属夹芯板典型的压痕失效模式。 实验结果表明,夹芯板的面板较厚且外加载荷强度较小时,夹芯板易出现压痕失效模式。
和泡沫子弹采用六面体实体单元。数值模拟中面板采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 材料
模型,该材料模型适合于模拟各向同性和运动强化塑性材料,其应力-应变关系为典型的双
线型。泡沫金属选用*MAT_CRUSHALBE_FOAM 模型来近似描述真实泡沫的性质,其应力
-应变曲线如图 10 所示。模拟中材料参数、边界条件与初始条件的设置与实验保持完全一致,
图10 泡沫材料的应力-应变曲线 Fig.10 Stress-strain curves for the foam materials
3.2 模型验证 撞击载荷下泡沫金属夹芯板的实验与计算变形模态如图 11 所示。夹芯板的变形可近似
为非弹性大变形,中心点挠度最大,整体变形成穹形。图 11 给出了泡沫铝夹芯板的后面板 的残余变形的模拟和实验的比较结果。从图 11 和图 12 可以看出,夹芯板变形模态与残余变 形的数值模拟结果与实验结果吻合较好。由此可见,应用本文建立的有限元模型是可靠的,
本文介绍了多孔金属夹芯板的种类和结构特性,利用泡沫金属子弹撞击获得强压力脉冲 的方式研究了多孔金属夹芯板的动力响应,给出了夹芯板的变形/失效模式,考察了夹芯板 结构拓扑对其抗冲击性能的影响。基于实验结果,应用 LS-DYNA 3D 非线性动力学有限元 分析软件对夹芯板动力响应进行了有限元分析。
2.实验研究
变形和失效模式的影响。
材料
泡沫芯层 泡沫子弹
图 3 泡沫铝夹芯板示意图 Fig.3 Sketch of aluminum foam core sandwich panel
表1 泡沫铝的主要性能
Table1 Material property of aluminum foam
平均密度
( Kg ⋅ m−3 )
多孔金属夹芯板的侵彻失效模式主要体现在夹芯板中心撞击区域前面板的局部撕裂破
坏,这时面板的变形超过了其延展性。当芯层较厚和面板较薄时,夹芯板常表现为侵彻失
效,其侵彻深度与加载冲量大小密切相关,如图 6 所示。值得说明的是研究范围内并未出 现泡沫金属子弹贯穿夹芯板,即穿透(perforation)现象。 2.2.3 芯层压缩
在夹芯板的边缘处约束相应节点的所有自由度实现固支边界条件。考虑到计算效率和计算结
果精度,夹芯板单元大小为 2 mm ,泡沫子弹单元大小为 1 mm 。在 HP-J6750 工作站上完成
了泡沫金属子弹撞击多孔金属夹芯板全过程的有限元计算,CPU 运行时间约为 1 h 37 min。
图9 泡沫铝夹芯板的有限元模型 Fig.9 Finite element model of sandwich panel
本文采用 LS-DYNA 3D 动力分析软件模拟了泡沫金属夹芯板在撞击载荷下的动力响应。
由于结构和载荷的对称性,采用前处理软件 FEMB (eta.com,美国) 建立 1/4 模型,如图 9 所
示。整个模型共 82262 个节点,82800 个单元,面板采用 Belytschko-Tasy shell 单元,芯层
多孔金属夹芯板在冲击载荷下的动态
力学行为研究1
敬霖 王志华 宋延泽 赵隆茂
(太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所 山西太原 030024) 摘 要:应用泡沫金属子弹撞击加载的方式研究了固支多孔金属夹芯板的塑性动力响应。讨
论了多孔金属夹芯板在冲击载荷作用下的破坏模式。结果表明夹芯板的破坏主要表现在前
面板的压痕与侵Байду номын сангаас失效,芯层压缩和芯层剪切破坏。基于实验研究,应用 LS-DYNA 3D 非线
性动力学有限元分析软件对夹芯板动力响应进行了有限元分析。数值研究结果与实验结果
吻合较好。考察了加载冲量、面板厚度、芯层厚度及相对密度对多孔金属夹芯板抗撞击性
能的影响。夹芯板的结构响应对其结构配置比较敏感,增加面板厚度或芯层厚度能够明显
图 7 芯层压缩( h = 1.0mm,C = 20mm, I = 5.50Ns )
图 8 芯层剪切( h = 0.5mm,C = 10mm, I = 2.27Ns )
Fig.7 Core Compression mode of sandwich panel
3.数值研究
3.1 FE 模型
Fig.8 Shear failure mode of sandwich panel
图 5 压痕失效模式( h = 1.0mm,C = 10mm, I = 5.50Ns ) Fig.5 Indentation failure mode of sandwich panel
2.2.2 侵彻失效
图 6 侵彻失效( h = 0.5mm, C = 30mm, I = 3.2Ns ) Fig.6 Penetration failure mode of sandwich panel
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