合金板性能特效研究

郭青江 任思思 陈海鹏 雷国培 高博 指导教师：朱翔

摘要：随着世界交通运输业的发展，各类结构遭受意外撞击的概率大大增加，也有可能撞击临近的建筑物而导致次生灾害。针对各类建筑引起的撞击问题，研究泡沫铝填充多胞铝合金板防护应用就显得十分重要，基于非线性有限元软件LS-DYNA建立了相应的数值模型进行防撞性能分析，分析表明有限元分析模型能够较好的模拟试验的撞击力和变形发展，以此找出多胞板在不同因素下的最优截面，使其防撞性能最好，耗能最高；并探究在相同截面、用量和发生相同位移时多胞板的抗冲击性能和吸能性能。结果表明：在外荷载冲击作用下，泡沫铝填充薄壁铝合金板的破坏模式为对称圆锥式破坏，冲击力-位移曲线和变形图显示其变形过程分为两个阶段：弹塑性变形阶段和回弹阶段；在发生相同位移时，18种不同参数的多胞板，其吸收的总能量 (E) 和比吸能 (SEA) 相对于单胞板都提高了400% 以上，是一种更具吸能特性的板，可广泛应用于防护工程。

关键词：泡沫铝；铝合金板；吸能能力；截面类型；

1、引言

近几年来，交通运输业在世界范围内快速发展，尤其中国表现最为突出。从交通运输行业发展现状分析数据中得出营业里程由2012年的0.97万公里增加到2021年的3.8万公里，在全国铁路营业里程的占比已超过25%，占全球高铁营业里程的65%以上。目前，我国拥有世界上规模最大、现代化水平最高的“四纵四横”高速铁路网，高速铁路对百万以上人口城市的覆盖率超过95%[1]。我国在交通运输业取得巨大进步的同时，也面临着各种挑战。例如，列车脱轨与周围建筑物发生碰撞而导致的次生灾害[2]，典型的案例如2011年“7·23甬温线特别重大铁路交通事故”，造成40人死亡，瓯江特大桥受损；车辆撞击桥梁导致桥梁发生破坏。针对各类建筑引起的撞击问题，研究泡沫铝填充多胞铝合金板防护应用就显得十分重要，找出多胞板在不同因素下的最优截面；并探究在相同截面、用量和发生相同位移时多胞板的抗冲击性能和吸能性能，使其广泛应用于防护工程中。

目前，国内外学者对泡沫铝夹芯板和泡沫铝填充薄壁铝合金构件进行了大量的吸能特性研究。MOHAN 等[3]研究了铝面板、不锈钢面板和 CFRP三种不同面板类型的胶粘泡沫铝夹芯板在冲击载荷下的能量吸收机制。结果发现泡沫铝夹芯板的能量吸收量取决面板类型，通过增加面板厚度可以提高夹芯板的能量吸收量。ZHANG 等[4]通过实验和数值模拟相结合的方法，研究了碳纤维增强塑料 (CFRP) 复合材料面板和 Nomex 蜂窝夹芯板的低速冲击行为。SUN 等[5]对蜂窝夹芯板在球形钢弹高速冲击下的动态响应和失效机理进行了实验和数值研究。结果表明面板对能量吸收贡献最大，增加面板厚度和减小蜂窝单元尺寸是提高夹芯板抗穿孔能力的两种有效方法。孙宇杰等[6]研究了在不同冲击能量和不同面板厚度下泡沫铝夹芯板的冲击损伤过程。结果表明当冲击能量增加，峰值载荷随之增加，基体损伤区域增大；可通过适当增加上、下面板厚度来提高泡沫铝夹芯板抗冲击性能。BUITRAGO 等[7]研究了蒙皮和芯材对夹芯板吸能性能，研究发现，大部分冲击能量都被表皮吸收了。RADFORD 等[8]对面板为钢板、泡沫芯层为铝合金的夹芯板进行了冲击实验和有限元模拟，结果显示泡沫铝结构能耗散更多的冲击能量从而减少后面板的挠度，增加面板或芯层的厚度均能提高整体的抗形变能力。郭亚周等[9]基于非线性动力有限元软件 LS-DYNA 进行了不同弹形撞击泡沫铝夹芯板的数值仿真，分析了不同弹形、不同速度对夹芯板吸能特性的影响。邓旭辉和李亚斌[10] 研究双层泡沫铝夹芯板在冲击荷载下的动力学响应，在相同加载条件下，双层泡沫铝夹芯板要比单层泡沫铝夹芯板有着更强的抗冲击性能。以上研究表明泡沫铝和铝合金板可以很好的共同工作，相比于空心铝合金板，泡沫铝夹芯板具有更好的耐撞击性能。

本文对一种泡沫铝填充多胞铝合金板进行研究，首先先确定了多胞板的结构形式，再通过三个方面冲击速度v、隔板厚度t和隔板数目n研究多胞铝合金板的吸能性并对变形和能量吸收情况进行了分析和对比。

2、耗能多胞防撞板介绍

其结构形式如图1，泡沫铝是同时兼有金属和气泡特征的新型轻质功能-结构一体化材料,特殊的结构决定了它具有许多金属所没有的特殊性能。不同参数下的泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构的吸能效率并不相同需将其合理应用于防护工程中。

泡沫铝填充多胞铝合金板的外层薄壁结构采用铝合金，起到耗能作用，内部采用泡沫铝和隔板形式相组合，泡沫铝作为吸能材料，兼具金属和多孔材料的特点，表现为吸能、减震的优良性能，内部利用隔板形成多胞结构，其吸能特性和动态响应都会得到提高。

                                       图1

3、有限元分析

3.1多胞防撞板

参数的确定

本文参考文献【1】铝合金梁受低速撞击动态响应的试验研究，该文利用低速落锤冲击试验装置进行了铝合金梁横向撞击试验，着重研究不同撞击速度、撞击位置等因素对铝合金梁所受撞击力、整体与局部变形等的影响规律。实验结果表明：随着撞击速度的增加，试件吸收能量的速率增大；试件的整体变形和局部变形都明显增大，但局部效应相对增加更为显著。得出结论即冲击速度对铝合金板的抗冲击性有一定的影响，本项目研究不同冲击速度对多胞铝合金板吸能特性的影响。如图1：为相同刚度和中心撞击位置，不同撞击速度条件下试件变形图。

图1

参考文献【2】，文献中分别对：口字型铝合金薄壁管、日字型铝合金薄壁管、目字型铝合金薄壁管进行压溃试验和仿真压溃试验，通过观察管件的压溃褶皱数量研究管件防撞性能。研究结果表明：目字型铝合金薄壁管件的吸能效果好。得出结论即多胞铝合金板的隔板数量对铝合金板的吸能特性有影响，本项目研究隔板数量和隔板厚度对铝合金板的吸能性的影响。

图2

综上，我们通过以下三个方面研究多胞铝合金板的吸能吸能性：冲击速度v，隔板厚度t，隔板数目n，如图三所示。

图3  填充泡沫铝的单多胞铝合金板示意图

3.2模型的建立

泡沫铝填充薄壁铝合金多胞板的冲击吸能过程的数值模拟采用 LS-DYNA。图4是所建立的有限元模型。

图4 有限元模型示意图

图5 TSH7-3有限元模型破坏形态

图6 试件TSH有限元模型破坏形态

4、有限元结果分析

4.1冲击速度的影响

从图7中可以发现，随着冲击速度的增大，铝隔板、泡沫铝和薄壁铝合金空心板的耗能逐渐增大，有焊接的泡沫铝、内支撑隔板和薄壁空心铝合金板能量吸收显著增加。可以得出填充泡沫铝后的多胞铝合金板可以大大提高其吸能效果。

图7 冲击速度对吸能的影响

4.2隔板厚度的影响

从图8中可以看出，铝隔板数目一定时，厚度为2mm、3mm和4mm时，填充的多胞板的SEA较为接近，提升的效果并不明显。这主要是因为，随着内支撑厚度的增加，对整个构件的竖向刚度提升，在发生相同位移的条件下，薄壁构件较泡沫铝将承担更大的冲击力，内支撑铝隔板能抑制泡沫铝和薄壁铝合金空心板的变形耗能，使得效果并不明显。                    

                   

                                 图8隔板厚度对吸能的影响

4.3隔板数目的影响

从图中可以看出，随着铝隔板数目的增加，构件的竖向刚度提升，泡沫铝和薄壁铝合金空心板吸收的能量逐渐降低，铝隔板的耗能逐渐增大；随着隔板厚度和数目增加，有无胶结，对试件的吸能影响逐渐减弱，且泡沫铝、隔板和薄壁铝合金空心板中每一部分的能量吸收较为接近。

 图9 隔板数目对吸能的影响

4.4通过影响因素的对比得出结论

1. 在相同条件下，吸能效果随着隔板壁厚的增加而增加。

2.在相同条件下，吸能效果随着隔板数量的增加而增加。

3.填充泡沫铝后的多胞铝合金板可以大大提高其吸能效果。

5、实验分析

5.1实验构件介绍

实验仪器：试验在DHR9401落锤冲击试验机上完成，试验装置如图所示。本次试验中的落锤总质量262.15kg，由冲击体和配重块组成。冲击体为圆柱体，直径85mm，高 300mm冲击接触面为直径85mm的圆形。冲击体与配重之间放置了冲击力传感器，其采样频率为125kHz，容量为1000kN，采样误差在5%以内，线性度误差小千 2%。试验中通过改变落锤冲击高度以获取不同的冲击能量(E)。采用OLYMPUS公司的i-SPEED3高速摄影记录试件的破坏过程和试件1/2h处挠度时程曲线，数字视频采集以每秒3000帧的速度记录测试。

如右图所示前三个为空心铝合金板模型；后三个为改变了隔板数目或隔板壁厚的泡沫铝填充多胞铝合金板。

每个试件符号的定义如下:第一个字母T代表铝合金;第二个字母:S代表填充泡沫铝第三个字母代表每组三个对比试件其不同冲击高度，L表示冲击速度最低，M表示冲击速度适中，H表示冲击速度最高:第一个数字表示隔板的数目:第二个数字代表隔板壁厚。以TSM7-4为例，表示填充泡沫铝的薄壁铝合金板，、其隔板数目为 7，隔板壁厚为4mm。（实验默认外壁厚为2mm）图10铝合金板模型

5.2不同参数下实验结果

1.受不同撞击速度后的空心铝合金板变形效果

如下图从左到右依次为受到慢速，中速，高速撞击后的空心铝合金板。该实验利用能量守恒等公式，通过改变落锤高度去控制撞击速度这个变量，用速度变量反应出能量变量。从其受冲击后的变形情况可以得出定性结论：撞击速度越高，产生的能量越大，撞击效果越明显。

图11空心铝合金板受不同速度撞击后的变形效果

2.泡沫铝填充多胞铝合金板受冲击后的变形效果

如下图从左到右依次为受到慢速，中速，高速撞击后的泡沫铝填充多胞铝合金板。通过其受冲击后的变形情况可以得出定性结论：填充泡沫铝后的多胞铝合金板可以大大提高其吸能效果。

图12 泡沫铝填充多胞铝合金板受不同撞击速度冲击后的变形效果

5.3实验分析对比

通过控制变量法，由实验分析可以得出定性结论：在相同条件下（外壁厚和隔板数量相同）吸能效果随着隔板壁厚的增加而增加。

通过控制变量法，由实验分析可以得出定性结论：在相同条件下（外壁厚和隔板壁厚相同）吸能效果随着隔板数量的增加而增加。

5.4实验结果

实验得出的结果与有限元分析的结果接近，可得出定性结论：

1.撞击速度越高，产生的能量越大，撞击效果越明显。填充泡沫铝后的多胞铝合金板可以大大提高其吸能效果。

2.在相同条件下（外壁厚和隔板数量相同）吸能效果随着隔板壁厚的增加而增加。

    3.在相同条件下（外壁厚和隔板壁厚相同）吸能效果随着隔板数量的增加而增加。

参考文献

[1]中华人民共和国国务院新闻办公室. 中国交通的可持续发展白皮书[EB/OL]. 2020-12-22.

[2]Zhu X, Lu X Z, Cheng Q L, et al. Simulation of the running attitude of a train afterderailment[J].International journal of crashworthiness, 2020, 25(2): 213-219.

[3] MOHAN  K,  YIP  T  H,  IDAPALAPATI  S,  et  al.  Impact response of aluminum foam core sandwich structures [J].Materials  Science  and  Engineering:A,  2011,  529:  94 − 101.

[4] ZHANG X Y, XU F, ZANG Y Y, et al. Experimental and numerical  investigation  on  damage behavior  of honeycomb  sandwich  panel  subjected  to  low-velocity impact [J].Composite Structures, 2020, 236: 111882.

[5] SUN G Y, CHEN D D, WANG H X, et al. High-velocity impact  behaviour  of  aluminium  honeycomb  sandwich panels  with  different  structural  configurations [J]. International  Journal  of  Impact  Engineering,  2018,  122: 119 − 136.