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开孔泡沫铝夹芯管压缩与弯曲力学行为的研究

【摘要】: 泡沫金属具有轻质、高比强度及优异的吸能特性等特点,以泡沫金属为填充材料制备而成的夹芯结构材料是一种新型的轻质的结构功能材料,其压缩和弯曲等力学行为及变形失效的形式和机理已经成为材料科学、力学等领域中的热点课题之一。 本文采用渗流法制备开孔泡沫纯铝和铝硅合金,将其加工后填充到铝合金圆管和不锈钢方管中,制成开孔泡沫铝夹芯圆管及夹芯方管,分别进行压缩和弯曲实验,研究泡沫铝力学性能及结构参数对开孔泡沫铝夹芯圆管轴向压缩的力学性能和吸能特性的影响,以及对夹芯不锈钢方管的弯曲力学行为和变形特征的影响。所制备结构的主要参数为:泡沫铝的孔径为0.65~2.3mm,相对密度为0.399~0.524;夹芯圆管:径厚比为5~30.4;夹芯方管:t/b为0.012~0.032。首先,对开孔泡沫铝夹芯铝管进行准静态单轴向压缩实验,研究了泡沫铝夹芯圆管的压缩应力-应变行为和变形特征,并研究泡沫铝基体性能和孔径等特征参数以及夹芯管的结构特征参数对其压缩行为、力学性能和吸量特性的影响规律。结果表明:压缩过程中,泡沫铝夹芯铝管的载荷—位移曲线呈现出弹性段、波动的屈服平台段和压实段三阶段特征;铝管的径厚比以及泡沫铝本身的参数和强度对填充管的屈服强度、平均压溃力和吸能特性均有着非常显著的影响。由于泡沫铝与管壁间相互作用使得夹芯管的抗变形能力显著提高,且管壁的变形模式发生改变,管壁只发生向外翻折变形,并且所产生的环状褶皱减少。 其次,对开孔泡沫铝夹芯不锈钢方管进行准静态三点弯曲实验,重点研究不锈钢方管的t/b比值,泡沫铝的结构参数以及泡沫铝的填充方式对夹芯方管弯曲行为及变形模式的影响规律。结果表明:填充泡沫铝后,由于泡沫铝的支持抑制作用,不锈钢方管的局部弯曲变形模式发生改变,管壁由空管时的单一褶皱变为夹芯方管的多重褶皱模式,形成更多的塑性铰,褶皱长度减小,显著提高不锈钢方管的弯曲承载能力,且夹芯方管弯曲变形模式与方管的t/b比值相关。 另外,对不同填充方式的泡沫铝夹芯方管进行弯曲实验,结果表明:夹芯方管填充的泡沫铝必需达到一定的长度,即最小有效长度L f ,eff,夹芯方管才能在较大范围的转角内依然保持较高的抗弯强度。最小有效长度的确定对制备部分填充泡沫铝的轻质夹芯结构有着重要的指导意义,有利于结构轻量化设计。

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