【word】 泡沫铝合金填充圆管三点弯曲实验研究

【word】 泡沫铝合金填充圆管三点弯曲实验研究 泡沫铝合金填充圆管三点弯曲实验研究 第22卷第2期 2007年4月 实验力学 J0URNALOFEXPERIMENTALMECHANICS Vo1.22No.2 Apr.2007 文章编号:1001—4888(2007)0220104—07 泡沫铝合金填充圆管三点弯曲实验研究 谢中友,虞吉林,李剑荣 (中国科学技术大学中科院材料力学行为和设计重点实验室,合肥230027) 摘要:用实验方法研究了三种不同管壁厚度,两种跨径的泡沫铝舍金填充圆管的三点弯曲力学 性能,得到了泡沫铝合金填充管结构承载过程中的三种变形模式,即压入,压入弯曲和管壁下缘 拉裂破坏.给出了空管和泡沫铝合金填充管的载荷位移曲线,并进行了比较.实验发现泡沫铝 合金填充管结构的承载能力随泡沫铝合金密度的增大而增大,但破坏应变则随之减小.结构承 载力的相对提高量随着管壁厚度的减小和跨径的增大而增大.此外,分析了泡沫铝合金提高填 充管结构承载能力的机理.泡沫铝合金填充使管壁压入量和管截面抗弯刚度的损失显着减小, 从而提高了结构的抗弯能力. 关键词:泡沫铝;圆管;三点弯曲 中图分类号:CI34文献标识码:A O引言 圆管结构是汽车,航空,船舶等行业的常用结构,一般可分为紧凑,非紧凑和细长三类,三种圆管结 构的变形模式和承载力有较大的差别.分类方法有两种,一是按几何特征参数即直径与壁厚之比D/t 值进行分类,另外学术上通常按一Da/250t的值分类[】],其中为管壁材料的屈服应力. 横向弯曲是一种较为常见的承载模式,Mamalis等[2和对25<D/t<40的圆管弯曲行为进行了研 究,得到了三种变形模式.Elchalakani等[3对2O<D/,<4O的圆管作了进一步研究,建立了简化星形, 钻石形,星形三种模型,结果明简化星形模型的结果与实验结果拟合较好.Elchalakani等研究了 88<D/t<122的圆管纯弯曲行为,实验结果表明圆管弯曲时沿截面环向将产生多个褶皱,理论方面主 要采用钻石形模型对结构大变形时进行塑性分析. Soares等[5的分析表明,随着跨径与直径之比L/D的增大,圆管结构表现为环,短梁,长梁的行为, 其临界值随D/t变化而有所改变,长梁结构可不考虑局部压入而按经典梁理论进行理论分析.Pacheco 等[6通过实验和数值模拟方法研究了圆管短梁的局部压入和垮塌行为.Wierzbieki等[7]进一步建立了 较为完备的压入载荷表达式.对于短梁结构,Thomas等[8研究表明,薄壁圆管三点弯曲要经历三个变 形阶段:局部压入,局部压入弯曲和结构垮塌.Reid等[g在理论上建立了载荷与局部压入深度的关系 式,并得到了载荷与压头总位移的半经验半理论关系.但因压头总位移与局部压入深度关系式是由实 验拟合得到的数值解,其结果无法推广应用. 近年来,由于生产工艺的发展,泡沫金属的应用越来越广泛,其中包括泡沫金属填充薄壁结构. Santosa等[】用实验和数值模拟的方法研究了泡沫铝填充方管结构弯曲行为,结果表明泡沫铝能有效 减小局部压入变形,使结构保持较高的承载力.许坤等[】对泡沫铝填充薄壁方管弯曲行为进一步作了 理论研究,在实验基础上提出了一个分析填充结构弯曲行为的理论方法. * 收稿日期:2007—01—08:修订日期:2007—02—28 基金项目:国家自然科学基金资助项目 (90205003,10532020,10672156)资助 第2期谢中友等:泡沫铝合金填充圆管三点弯曲实验研究 对泡沫铝填充薄壁圆管横向弯曲力学行为的研究尚处于起步阶段,通过实验方法进行定性研究是 定量分析的基础.Kim等用实验和数值模拟的方法研究了泡沫铝合金填充薄壁圆管的弯曲行为,结 果表明填充泡沫铝后结构承载力有很大提高.但是,Kim等只研究了一种管壁厚度和一种跨径时的结 构弯曲行为,而D/t和L/D对圆管三点弯曲行为的影响非常大,需要对此作进一步研究.本文主要通 过实验方法,研究了两种不同密度的闭孑L泡沫铝合金分别填充三种不同壁厚的铝合金圆管在L/D= 5.3,6.6两种跨径下三点弯曲变形模式和承载特点.实验给出了泡沫铝合金填充薄壁圆管的三点弯 曲变形模式和载荷位移曲线,着重分析了泡沫铝合金密度,管壁厚度和跨径对结构承载力的影响,同时 分析了泡沫铝合金在提高结构承载力中所起的作用机理. 实验材料的力学性质 实验采用的薄壁圆管为AA6063T6铝合金圆管,外径D一38ram,有三种不同的壁厚:t一1mm, 1.5mm,1.8ram.在管壁材料性质的测试中,拉伸试件是从平行于管的方向上切割出的.图1给出了 管壁材料单轴拉伸的工程应力应变曲线,表1列出了三种管壁材料的基本力学性能. 表1三种管壁材料的基本力学性能 Tab.1Mechanicalpi-opertiesofthepipewallmaterial 图1管壁材料工程应力工程应变曲线图2泡沫铝合金单轴压缩的工程应力应变曲线 Fig.1Engineeringstress-straincurvesFig?2Engineeringstress—straincurvesof ofthepipewaIImateria1luminumalloyfoamsunderuniaxia1com!cIression 实验中采用的两种闭孔泡沫铝合金由沈阳东大先进材料发展有限公司提供,基体材料为铝硅合金, 主要成分为;工业铝88,硅7,钙r4,铁1,基体密度约为2.98g/cm.,平均胞孔为4,6ram, 密度分别为0.486g/cm.和0.518g/cm..图2给出了这两种不同密度泡沫铝合金的单轴压缩应力应变 曲线,其弹性模量分别为393MPa和461MPa.由于所提供的材料比较脆,在压缩初期部分胞壁已经破 坏,导致应力应变曲线出现一个明显的峰,但这并不影响我们对复合 管变形模式的分析研究. 2准静态三点弯曲实验 2.1实验方法和装置 准静态三点弯曲实验主要是研究泡沫铝合金填充管在横向载荷作用下的结构响应行为和变形破坏 规律.填充管总长300ram,泡沫铝内芯由线切割得到,管壁与泡沫铝内芯间未粘接,间隙为0.15ram. 试件由两个距离为250mm的固定支座上的刚性圆柱支撑,管中点受压,压头和支撑圆柱直径均为 10ram.此外,为研究跨径的影响,另做了一组跨径L一200mm的辅助实验.实验在中国科学技术大学 对莹_,.D??.l田—00II强口? 106实验力学(2007年)第22卷 工程材料实验中心MTS810材料试验机上进行,其中载荷和位移数据分别由力传感器和位移传感器给 出.实验中采用位移加载控制方式,压头加载速率设为0.1mm/s.试件编号方法,以CS101a为例,C 表示圆管,S表示准静态,10表示壁厚1.0mm,1表示泡沫铝合金密度为,a为重复实验试件序号,其 它依次类推.表2给出了跨径L一250mm实验的试件编号. 表2实验试件编号(L:250mm时) Tab.2NumberingmethodofspecimensforL一250mm 2.2变形模式 空管三点弯曲变形模式可分为三个阶段:压人阶段,压人弯曲阶段和结构垮塌,如图3所示.在压 人阶段,结构变形以局部压人为主,整体弯曲变形很小.在压人弯曲阶段,随着压人量的增加,截面抗弯 刚度减小,结构的整体弯曲变形越来越大,局部压人和整体弯曲变形一起发展.当结构承载力达到最大 值,局部压人量不再增加,结构变形转向整体弯曲为主,截面抗弯刚度随转角增大而减小. (a)压入阶段(b)压入弯曲阶段(c)结构垮塌 图3跨径L一250ram时空管三点弯曲变形模式 Fig.3Deformationmodesofhollow-pipeunderthreepointbending(L一250ram) (a)压入阶段Co)压入弯曲阶段(c)下缘拉裂阶段 图4跨径L一250mm时泡沫铝合金填充管三点弯曲变形模式 Fig.4Deformationmodesofaluminumalloyfoam—filledpipeunderthree-p ointbending(L~250mm) 泡沫铝合金填充管的变形模式与空管有所不同,图4给出了泡沫铝合金填充管三点弯曲变形模式. 主要分为三个阶段:压人阶段,压人弯曲阶段和管壁下缘拉裂破坏阶段.与空管类似,填充管经历压人 阶段和压人弯曲阶段,但因泡沫铝合金的支撑作用,局部压人深度较小,而且泡沫铝合金密度越大局部 压人深度越小.随后截面的抗弯能力保持在较高的水平上,最后以管壁下缘拉裂形式破坏. 另外,比较空管和填充管的变形模式可发现,空管轴向扁化区域较长,而填充管跨中塑性铰集中在 较短的区域内,两边部分变形很小,位移场趋于三角形分布. 第2期谢中友等:泡沫铝合金填充圆管三点弯曲实验研究1O7 2.3结构承载力 根据量纲分析,对泡沫铝合金填充圆管三点弯曲结构有P一厂(;L,D,t,O’o,as),其中P,,L,D,t, .,分别为压头载荷,压头位移,梁跨径,圆管直径管壁厚度,管壁材料特征应力和泡沫铝合金的特征 应力,.一(..+)/2.由此可得 P 一 厂(;D,L;a.f)(1) 其中m.一t./4,有三个无量纲参数D/t,L/D,afao. 圆管结构三点弯曲的承载能力与D/t,L/D,,ao三个无量纲参数都有关系,图5给出了跨径L 一250mm时压头载荷和压头位移之间的关系曲线.从图上可以看出, 填充泡沫铝合金后结构承载力都 有很大的提高,结构发生管壁下缘拉裂破坏,随着泡沫铝合金密度的增大,结构最大承载力增大,但破坏 应变减小. l 图5跨径L一250mm的空管和泡沫铝合金填充管三点弯曲时的压头载荷位移曲线 Fig.5Load—displacementcurvesofhollowandfoam—filledpipesunderthr ee—pointbending(L一250mm) 为简单起见,跨径为L一200mm的试件编号方式为,在跨径为L一250mm试件编号的基础上省去 S,例如CS100改为C1O0,依次类推,其它符号含义不变.图6给出了跨径L一200mm时压头载荷位移 曲线,载荷变化趋势与L一250mm时相同.与跨径L一250mm相比,压头载荷普遍增大. 喜 i l l I 图6跨径L一200mm的空管和泡沫铝合金填充管三点弯曲时的压头载荷位移曲线 Fig.6Load—displacementcurvesofhollowandfoam—filledpipesunderthr ee—pointbending(L一200mm) 3分析讨论 圆管的三点弯曲既有压入问又有弯曲问题,故应从压入和弯曲两个角度分析其承载特点.Reid 等的研究表明,在空管局部压入阶段存在下列关系:R一,P/m.一8万,其中为压 入区轴向长度的一半,R为变形前的圆管半径,为压入深度.另外,为消除材料差异的影响,可用 M/Mo的值来研究结构的弯曲承载性能,其中M—PL/4为简支梁跨中截面弯矩,M0为圆截面空管全塑 性弯矩承载力: r Mo—IoydA一o(D一).t(2) JA 最大承载力是结构承载能力的表征,可通过研究最大承载力来分析结构承载特点.对于空管,压头 压力主要由上缘受拉区和侧边承担,下缘受拉区不直接承担横向压力,因此上缘受拉区的局部压人量较 ?” 蚤\8-一号dRId ?”蛐:窨? 蚤\ b口I口II’H 1O8实验力学(2007年)第22卷 大.图7(a)给出了实验得到的P/.,D/,关系,可以看出P…/.随着D/t的增大而增大,另外当 跨径减小时压头载荷P/m.增大.图8所示的实验结果还表明,最大压入深度随D/t增大而增大,随 跨径减小而增大.显然,当局部压入深度”/D增大时截面抗弯能力下降,从图7(b)所示的Mm/M0 , D/f变化关系也可以看出,当跨径减小时截面抗弯能力下降. D{t (a)压头最大压力(b)截面最大弯矩 图7结构最大承载力与D/t的关系 Fig.7Relationshipbetweenthelimitofload—bearingcapacityandD/t 填充泡沫铝合金后,由于它的支撑作用,压头压力有很大部分由泡沫铝合金承担,并通过它传递到 管壁下缘受拉区,从而使管壁局部压入量减小,结构能保持较高的承载力.从图7给出的P…/m., D/t和M./M0,D/,关系可以看出填充泡沫铝合金后结构承载力的相对提高量.总体来说,结构承载 力的相对提高量随泡沫铝合金密度增大而增大,随管壁厚度和跨径 的减小而增大.图8给出了不同管 壁厚度,不同填充状态下圆管三点弯曲当载荷最大时的相对压入深度随D/t的变化关系,其中压入深 度定义为管截面竖直方向直径的减小量.从图8可以发现,填充同种密度的泡沫铝合金时,相对压入深 度随壁厚减小而减小,随跨径减小而增大.压人深度较小时,截面能保持较大的相对承载力M/Mo. 图8最大载荷时的压入深度随D/t的变化关系 Fig.8VariationofindentationdepthatmaximumloadwithD/t 局部压入位移与总位移之问的关系是研究三点弯曲短梁结构需要解决的第二个问题.Reid等 在空管三点弯曲研究中给出压入位移与总位移成正比的结论,即/一f(D/t,L/D).因该结论是在 实验拟合基础上建立的,有待于进一步研究论证.对于填充管,压入位移/总位移比值8/8应存在下列 一 般关系式 一g(;D,L;)(3) 因涉及参数较多,同时结构变形较为复杂,建立一个完备解析解有一定的困难,可以考虑采用有限元数 第2期谢中友等:泡沫铝合金填充圆管三点弯曲实验研究1O9 值计算的方法进行分析. 泡沫铝的抗拉强度很低,因此泡沫铝梁本身的弯矩承载力很低,泡沫铝填充管梁弯矩主要由管壁承 担.泡沫铝主要起支撑管壁,减小局部压入量,从而减小管壁截面抗弯刚度损失,提高结构抗弯能力的 作用. Santosa等的研究表明,泡沫铝填充不锈钢方管结构三点弯曲时,只有压头下,支座上的一段泡 沫铝产生较大的应变和应力,其它部分的泡沫铝承担的应力很小,泡沫铝材料的利用率不高,泡沫铝部 分填充结构可以在大大减轻结构总重量时保持较高的承载力.当然圆管结构也可以采用部分填充的方 法,其具体填充长度可用有限元数值模拟的方法确定. 4结论 空管变形主要分为压人,压人弯曲和结构垮塌三个阶段,填充管结构在经历压入,压人弯曲两个阶 段后以管壁下缘拉裂破坏.填充泡沫铝合金后,结构承载力大大提高.结构最大承载力随泡沫铝合金 密度的增大而增大,但破坏应变减小.填充泡沫铝合金后截面弯曲承载力的相对提高量随管壁厚度的 减小而增大.当跨径减小时,压头载荷增大,局部压人量增大,截面抗弯能力下降.泡沫铝合金主要起 支撑管壁,减小局部压人量,从而减小管壁截面抗弯刚度损失,提高结 构抗弯能力的作用. 参考文献: [1] [2] E3] E4] E5] E6] [7] [8] [9] [1o] [11] [12] E13] ElchalakaniM,ZhaoXL,GrzebietaR.Bendingteststodetermineslendernesslimitsforcold-formedcircularhollow sections[J],JournalofConstructionalSteelResearch,2002,58:1407~1430, MamalisAG.ManolakosDE,BaldoukasAK,etal,Deformationcharacteristicsofcrashworthythin—walledsteel tubessubjectedtObending[J].ProcInst~MechEngCJMechEngSci,1989,2 03:411~417. ElchalakaniM,ZhaoXL,GrzebietaRH,Plasticmechanismanalysisofcirculartubesunderpurebending[J]. InternationalJournalofMechanicalSciences,2002,44:1117,1143. 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China) pointbendingbehaviorofaluminumalloyfoa Abstract:Inthispaper,three— m—fi11edcy1indrica1 aluminumalloypipewiththreedifferentpipethicknessesandtwodifferentspansw asinvestigated experimentally.Threekindsofdeformationmodes,namelyindentation ,indentation—bendingand tensilefractureofunderneathpipeskin,wereobserved.Load_disp1acementcurvesofhollowand foam—filledpipeswereobtainedandcomparedwitheachother.It’isfoundthattheload_bearing pacltyIncreaseswiththeIncreaseofthefoamdensitybutthefailurestraindecreases.Therelative mcreaseoitheload-bearingcapacityincreaseswiththedecreaseofthepipe— wallthicknessandthe Increaseofthespan.Themechanismoffoamfillerinenhancingtheload—bea ringcapacitywasa1so analyzed.Itisfoundthatfoamfillerwillsignificantlyreducetheindentationan dtheconsequent degradationoftheflexuralrigidityofthecross—section, ‘ thusincreasethe1oad—bearingcapacity. pointbending Keywords:aluminumfoam;cylindricalpipe;three—