泡沫铝夹芯板的三点弯曲实验研究和仿真模拟

Equipment Manufacturing Technology No.09，2018
泡沫铝材料具有相对密度低、
质量轻、比表面积大、比力学性能高、阻尼性能好的结构特点，同时具有轻质、吸声、隔声、吸能、减震、电磁屏蔽等多种优良性能。

泡沫铝的概念最早由美国人B.Sosnick 等提
出[1]，随后日本、德国、中国等开始投入研究。

泡沫铝夹芯板具有轻质、高比强度和比刚度的突出特点，并
且具有良好的吸能、减震及电磁屏蔽等性能，在汽车制造、轨道交通、航空航天、
海运等领域有着广阔的应用前景。

对于泡沫铝夹芯板而言，弯曲是最常见的承载形式，因此需要研究泡沫铝夹芯板的抗弯强度。

Zarei 等对弯曲载荷下的泡沫铝夹芯板进行了实验和数据研究[2]。

查海波等对泡沫铝层合梁的弯曲性能进行了实验研究，指出其具有良好的复合性能[3]。

范爱琴等通过准静态三点弯曲测试了不同芯层厚度的泡沫铝夹芯板的刚度，获得了载荷-位移曲线和失效形貌[4]。

本工作是对钢板为上下面的泡沫铝夹芯板进行了三点弯曲试验，用ABAQUS 仿真模拟了泡沫铝夹芯板的三点弯曲过程及其失效模式，并将试验和仿真结果进行了比较。

1试验
1.1试验材料及准备
泡沫铝夹芯板的芯层是7050基体泡沫铝，面板用304不锈钢板。

采用线切割将泡沫铝切割成厚度为15mm ，150mm ∗30mm 的板，钢板切割成厚度为
1mm ，150mm ∗30mm 的板。

制作泡沫铝夹芯板时为了得到更好的粘结性能，首先使用砂纸打磨粘结面并用清水清洗，然后将其置于120°C 恒温下的电烤箱中烘烤4h.再使用丙酮清洗泡沫芯体和钢面板表面；将配好的环氧树脂粘结剂均匀的涂抹在面板和芯体上粘结成试样；将粘结好的泡沫铝夹芯板放在刷了环氧树脂脱模剂的托盘上，并在试样上放置
特制压具对其施压，
把托盘置于恒温80°C 的电烤箱中加热2h ，加热结束后把试件放在室温下冷却48
h.实验制得的泡沫铝夹芯板如图1（a ）所示。

1.2试验过程
本实验采用WDW-50E 微机控制电子万能试验机对泡沫铝夹芯板进行三点弯曲试验。

如图1（b ）所示，两个支座之间的长度L 是80mm ，两边悬臂梁的长度H 都是35mm ，压头和支座的直径d 都是10mm ，泡沫铝夹芯板的宽度b =30mm ，芯层泡沫铝的
厚度c =15mm ，面板的厚度t =1mm.压头以2mm/min 的位移载荷向下压泡沫铝夹芯板，计算机会记录加载的压力P 和下压的位移S .
（续下图）
泡沫铝夹芯板的三点弯曲实验研究和仿真模拟
王冬，闫畅，宋绪丁
（长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，
陕西西安710064）摘要：泡沫铝夹心板是一种新型复合材料，具有低密度、高比强、高比刚度、吸能减振、隔热、隔音等性能，可广泛用于航空航天、机械工业、汽车等领域。

本文对泡沫铝夹芯板在三点弯曲载荷下的变形特性进行了试验研究和数值模拟。

基于有限元软件ABAQUS 建立了泡沫铝夹芯板的三维有限元模型，并采用扩展有限元法（XFEM ）对模型在三点弯曲过程中的破坏模式进行了模拟。

模拟的结果和试验结果基本吻合。

关键词：泡沫铝夹芯板；三点弯曲试验；数值模拟中图分类号：TG146.2
文献标识码：A
文章编号：1672-545X （2018）09-0094-02
收稿日期：2018-06-30
基金项目：中央高校基金项目（310825175007；310825163407；310825161001）
作者简介：王冬（1994-），男，山西运城人，硕士，主要研究方向：新型材料及加工工程。

（a ）泡沫铝夹芯板试
样
94
《装备制造技术》2018年第09期
（接上图）
1.3试验结果及结论
图2（a ）是泡沫铝夹芯板三点弯曲试验的结果图。

由图可知泡沫铝夹芯板的芯层出现了裂纹，裂纹是在压头下方，芯层和下面板结合的附近开始产生，并指
向压头的方向。

可知试验的失效模式为芯体剪切。

图2（b ）是泡沫铝夹芯板的载荷-位移曲线。

由图可知，曲线在O ~A 区间内呈线性增长，这个阶段是弹性变形阶段。

载荷曲线在线性增长后进入屈服阶段，
然后在A ~C 区间内载荷呈非线性变形，此阶段是芯层泡沫铝孔结构的断裂和倒塌，这个过程泡沫铝充
分发挥了吸能特性。

C 点之后曲线迅速下降，表示夹芯板芯层内部发生了强烈的孔系结构的破坏或者芯
层断裂。

2有限元模拟
2.1有限元模型
利用ABAQUS 建立如图1（b ）所示的几何模型。

泡沫铝夹芯板芯层和面板均采用三维实体单元
C3D8；压头和支座采用解析刚体；
面板和芯层的结合面用绑定约束，确保它们不会脱离；压头和支座与面板的接触设置为面面接触，接触面的切向摩擦系数为0.2，法向是硬接触；将支座完全固定，
压头上施加位移载荷。

其中芯层泡沫铝是以7050铝合金为基体发
泡形成，面板是304不锈钢钢板，它们的材料参数见
表1.采用扩展有限元法（XFEM ）来模拟泡沫铝夹芯板
三点弯曲失效时的裂纹模型。

分析采用静态分析。

2.2模拟结果
图3（a ）是泡沫铝夹芯板在三点弯曲载荷下的应力云图，可以看出仿真结果和试验结果基本吻合。

都是在压头下方，芯层和下面板结合的附近开始产生裂纹，并且裂纹指向压头的方向。

图3（b ）给出了泡沫铝夹芯板三点弯曲时压头的
载荷-位移曲线。

由图可知，
数值模拟的载荷位移曲线和试验的大致相同，都经历了三个阶段：弹性变形阶段，即线性增长阶段；屈服阶段，即非线性变形阶段；快速下降阶段，即完全破坏阶段。

3结论
使用粘结法制备泡沫铝夹芯板，在电子万能试
验机上进行了三点弯曲试验，并用ABAQUS 做了三
图2泡沫铝夹芯板的三点弯曲试验结果及载荷-位移曲线
（b ）载荷位移曲线
sample
A
C
B
4.03.53.02.52.01.51.00.50.0
5
1015
20
25
Displacement （S ）（mm ）表17050铝合金和304不锈钢材料参数
材料密度ρ/(t/mm 3)杨氏模量E /MPa 泊松比μ屈服强度σ
/MPa
7050铝合金 2.83×10-960000
0.33420304不锈钢
7.93×10
-9
1930000.28
206
（a ）三点弯曲仿真应力云
图
图1泡沫铝夹芯板试样及三点弯曲示意图
（b ）泡沫铝夹芯板结构尺寸
P d
d d c
t t
H
b
P/2
P/2
H
（a ）三点弯曲试验结果
裂纹
图3泡沫铝夹芯板的三点弯曲仿真结果及载荷-位移曲线
（b ）载荷位移曲线
300025002000150010005000Displacement （S ）（mm ）
2
4
6810
12
（下转第110页）
95
Equipment Manufacturing Technology No.09，2018
Pulling Speed and Coating Thickness for Coating of Hot Dip Aluminizing
MO Ji-hua 1，2，SHANG Guan-qi 1，XIAO Gang 1，LU Yu-heng 1，HUANG Cai-min 1，ZENG Jian-min 1，
2
（1.Ministry-province Jointly-constructed Cultivation Base for State Key Laboratory of Processing
for Non-ferrous Metal and Featured Materials ，Guangxi University ，Nanning 530004，China ；
2.School of Resources ，Environment and Materials ，Guangxi University ，Nanning 530004，China ）
Abstract ：Hot dip aluminizing is one of the effective surface protection methods for steels.It is being gradually put
into use in a certain scale ，while there are few documents on the mathematical model for hot dip process of alu -minizing.In this paper ，to describe the correlation among the coating thickness ，pulling speed and solidification time of the coating ，the mathematical models were established according to Navier-Stokes equation and heat trans -fer principle.And experiments were carried out to validate the models.In the experiments ，the pure aluminum melt was purified at the temperature of 730℃.Cook-Norteman method was used in pretreatment.The temperature of molten aluminum was set to 690℃and the dipping time was set to 3min.A direct current motor with stepless speed variation was used to adjust the pulling speed.The results indicate that the coating thickness is proportional to the square root of pulling speed ，for the Q235steel plate ，and that there is a linear relationship between coat -
ing thickness and solidification time when the speed is lower than 0.12m/s.The results are in good agreement with what the theoretical models predict.
Key words ：hot dip aluminizing ；coating thickness ；model ；pu uspeed ；solidification ；heat transfer
Simulation and Experiment Research on Aluminum Foam Sandwich
WANG Dong ，YAN Chang ，SONG Xu-ding
（Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment
Education of Chang ’an University ，Xi ’an710064，China ）
Abstract ：The aluminum foam sandwich panel is a new composite material with low density ，high specific strength ，high specific stiffness ，energy absorption ，vibration ，heat insulation and sound insulation.It can be widely used in aerospace ，machinery industry ，automotive and other fields.In this paper ，The deformation characteristic on three-point bending of aluminum foam sandwich panels were investigated by the experimental observation and numerical simulation.The three-dimensional finite element simplification model for aluminum foam sandwich panels was es -
tablished by finite element software ABAQUS ，and the failure mode of the model in the three-point bending pro -cess was simulated by the extended finite element method (XFEM).The simulation result is basically consistent with the test result.
Key words ：aluminum foam sandwich ；three-point bending ；numerical simulation
点弯曲仿真模拟；试验结果和仿真结果基本吻合，
并得到以下结论：
（1）三点弯曲过程分为三个阶段：
弹性变形阶段、屈服阶段和完全破坏阶段。

其中屈服阶段持续的时间最长。

（2）泡沫铝夹芯板在三点弯曲试验下的主要失效模式表现为芯体剪切失效模式。

参考文献：
[1]Sosnick B.Process for making foamlike mass of metal[P]：US ，2434775.1948.
[2]ZAREI H R ，KROGER M.Bending behavior of empty and foam -filled beams ：Structural optimization [J].International
Journal of Impact Engineering ，2008（35）：521-529.[3]查海波，
凤仪，朱琪琪，
等.泡沫铝层合梁的弯曲性能[J].中国有色金属学报，2007，17（2）：290-295.
[4]范爱琴，张艳芳，张勇明.泡沫铝夹芯复合板的三点弯曲试验[J].物理测试，2012，30（4）：27-31.
（上接第95页）
110。