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泡沫金属材料作为一种新型的多功能工程材料,以其低密度、高比强度和比硬度以及良好的吸能、隔音、绝热、抗腐蚀性能,在各种军用和民用的工程结构展现出广泛的应用前景。由于填充泡沫铝可以大大改善薄壁结构的力学性能,泡沫金属填充薄壁结构正受到广泛的研究。薄壁圆管是比较常用的轻型承载结构,泡沫铝填充薄壁圆管弯曲行为研究很少,对其深入研究是非常有必要的。
本文主要采用实验的方法研究了泡沫铝填充薄壁铝合金圆管在准静态和低速冲击下的三点弯曲变形模式和力学性能,同时用有限元分析软件ABAOUS对实验进行了数值模拟分析。
研究结果表明,填充泡沫铝后改变了结构变形模式,包括抑制了截面的扁化、减小了局部压入量,结构变形集中在压头下一小段区域内,位移场趋于三角形分布,填充结构最后以下缘拉裂破坏。另外填充泡沫铝后大大提高了结构承载力,而且填充结构在一定的位移范围内保持较高的承载力水平。
接着做了结构低速冲击下的三点弯曲实验。比较低速冲击和准静态两种加载方式,相同结构的变形模式基本相同。另外,管壁厚度、泡沫铝对结构变形的影响也相似。落锤冲击力普遍高于准静态时的MTS压头静压力,冲击力功有部分转化为圆管结构的动能。
随后用ABAQUS软件通过建立三点弯曲实验的数值模型,模拟梁的三点弯曲力学行为,数值模拟结果和实验结果符合较好。数值计算不同压头直径对结构承载力的影响,同时分析了结构承载机理。另外,数值模拟研究了泡沫铝部分填充圆管,分析了不同填充长度的影响。
最后在Wierzbick和Reid关于空管弯曲行为研究成果基础上,得出填充管三点弯曲行为半经验办理论的理论结果。