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浅谈高过载环境下胀环、泡沫铝复合结构缓冲吸能
发布日期:2017-07-25   浏览次数:38
核心提示:目前国内外学者对塑性变形吸收能量高的结构或材料的研究最为广泛,薄壁金属管具有结构简单、工作可靠、具有可控的变形模式,能够依靠自身塑性变形来吸收碰撞时的冲击载荷,具有较强的吸能能力。
      目前国内外学者对塑性变形吸收能量高的结构或材料的研究最为广泛,薄壁金属管具有结构简单、工作可靠、具有可控的变形模式,能够依靠自身塑性变形来吸收碰撞时的冲击载荷,具有较强的吸能能力。泡沫铝是一种新型结构和功能复合材料,具有密度低、耐腐蚀、隔音降噪、抗冲击吸能能力强等优点,泡沫铝屈曲阶段的压溃力较长且较为稳定,冲击载荷能够被大量吸收,但其压溃力较低,高冲击载荷下的吸能能力不理想。将泡沫铝作为填充材料与薄壁金属管组成复合结构,不但能够显著提高填充管的整体承载能力,而且还能够提高填充管的吸能能力,因此研究薄壁金属管/泡沫铝复合结构对缓冲隔离保护具有十分重要的意义。

Jeryan等[1]对密度较低的泡沫金属填充管结构进行了耐撞性研究,但是他忽略了泡沫填充物与管壁之间的相互作用,只是简单的将整体的平均碰撞载荷看成是薄壁管平均载荷与泡沫铝平均载荷的相加,因此所得到的预测公式并不准确。Reid等[2]主要从实验和理论分析两方面对泡沫铝填充管进行了研究,他发现泡沫铝与薄壁管之间的相互作用可以大大提高整体的能量吸收。Wierzbicki等[3]也对泡沫铝填充结构进行了理论研究,这种理论方法得到的结果与实验较为吻合,但是没有给出预测平均碰撞载荷的理论模型。Seitzberger等[4]对泡沫填充方管和圆管的轴向压缩特性分别进行了实验研究,发现填充泡沫对于圆管吸能性能的提高有很大的影响。罗昌杰[5]等通过实验方法研究了泡沫铝填充薄壁金属管在准静态压缩下的吸能特性,结果表明:在吸能量一定的情况下,泡沫铝填充薄壁金属管结构能够减少吸能结构所需要的体积和质量。刘荣强[6]等提出了5类评价泡沫铝填充薄壁金属管缓冲性能的方法。王青春等[7]通过实验方法研究了泡沫铝填充帽型结构在冲击载荷下的吸能特性,结果表明:填充泡沫铝后,帽型结构的轴向压缩稳定性和吸能特性有了明显的改善。随着计算机技术的快速发展,有限元技术也被越来越多的引入到结构耐撞性的研究。Meguid等[8]利用有限元分析软件模拟了泡沫金属填充薄壁管的变形过程,他在整个模拟过程中建立了一种分层模型,将整个填充结构的变形过程离散成分层的单独变形。Hopperstad等[9]用数值模拟的方法对泡沫填充管在受到轴向载荷拉伸以及弯曲情况下的吸能特性进行了研究。杨智春等[10]用数值模拟的方法研究了多层泡沫铝填充管的性能,发现结构的吸能效率随着铝管层数的增多而增加。张志新等[11]设计了管长度不同的泡沫铝填充装置并将它应用到高速列车中,通过数值模拟发现该装置对保护乘客安全起到很大的作用。任志远等[12]通过对不同几何尺寸的泡沫铝填充薄壁金属圆管进行轴向压缩,结果表明:泡沫铝密度和薄壁圆管长度对填充结构吸能性有较大影响。梁志达等[13]通过LS-DYNA软件模拟了泡沫铝填充管的准静态压缩过程,结果表明:填充管的吸能量与泡沫铝密度呈二次曲线关系,同时他对泡沫铝填充管的变形模式和内在机制也作出了初步的分析。本文利用 ANSYS/LS-DYNA软件对胀环/泡沫铝复合结构进行高过载环境下的数值模拟研究。同样以缓冲时间、隔冲效率、质量比吸能、体积比吸能和载荷效率等5个指标来评估复合结构的缓冲性能,着重分析了复合结构与单一胀环结构在变形机理和吸能能力上的不同。

1 SPH算法

1.1 概述

目前,有限元法已成为工程分析和计算中不可缺少的分析工具,有限元最显著的特点是就是使用预先定义好的网格将一个无限自由度的连续体离散成有限自由度的单元集合,其最大的优势是在计算连续介质的力学变形问题时具有更高的效率和准确性,但在求解一些复杂的工程问题时变得相当困难,比如极度大变形问题,动态裂纹扩展问题,高速冲击以及几何畸变,材料成型等,在此背景下,光滑粒


子流体动力学简称SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics),它是在流体力学计算领域相对新型的方法,它的理论基础来源于粒子方法。粒子方法是把连续的物理量用多数粒子的集合来插值的数值解析方法,它与有限体积法和有限元法不同,具有完全Lagrangian方法并不用网格的特点。粒子法由于没有网格。因此不会发生界面变形大所引起的计算溢出问题。而且对流体的分离和合体这样拓扑学的复杂变化也不需要特殊的计算手段。由于SPH方法中的自适应性、粒子性质和拉格朗日性质的和谐结合,使其在工程和科学领域都得到了实际应用[14]
 
 
 
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