泡沫鋁芯體夾層板的沖擊力學性能研究 - 圖文-

1、第20卷第1期寧波大學學報(理工版V ol.20 No.1 2007年3月JOURNAL OF NINGBO UNIVERSITY ( NSEE Mar. 2007文章編號:1001-5132(200701-0118-04泡沫鋁芯體夾層板的沖擊力學性能研究諶河水,趙恒義,張明華(寧波大學力學與材料科學研究中心,浙江寧波 315211摘要:研究了不同應變率下泡沫鋁夾層板的動態(tài)壓縮應力-應變響應特性、吸能特性和應變率敏感性. 實驗結果表明:泡沫鋁夾層板的動態(tài)應力應變曲線也具有泡沫材料的應力應變曲線的“三階段”特征. 泡沫鋁芯體夾層板與泡沫鋁相比,具有更高的屈服極限和更好的緩沖吸能特性.關鍵詞:泡沫

2、鋁夾層板;應變率敏感性;吸能中圖分類號:O343.4文獻標識碼:A泡沫鋁是種包含大量孔洞的鋁基輕質(zhì)多孔材料,孔隙率一般為40%90%. 泡沫鋁具有密度小、吸能緩沖能力強、消聲性能好等特點,但在實際應用中相對致密板材而言,泡沫鋁模量較低,表面粗糙,不能單獨作為結構材料使用,因而其應用受到了限制. 將泡沫鋁和其他板材結合起來組成復合材料使用,即以泡沫鋁作為芯體組成的夾層板,將發(fā)揮泡沫鋁和板材優(yōu)點,為泡沫鋁的發(fā)展提供了廣闊的應用前景.正是因為泡沫鋁復合板材的特殊性能,近幾年來,對泡沫鋁芯體夾層材料的研究成為國內(nèi)外熱點. 其中,國外對泡沫鋁芯體夾層板材料性能進行了比較系統(tǒng)研究1-4. 同時對于殼板為鋼

3、板、鋁板、玻璃纖維,芯體為泡沫鋁或PVC的多層板材的抗彎曲和剪切性能都進行過研究5. 國內(nèi)部分學者對泡沫鋁芯夾層圓筒的性能進行了研究6,但對于泡沫金屬夾層板抗沖擊力學性能的研究還不多見.本文對鋁板加泡沫鋁夾層材料的沖擊力學性能進行研究,以掌握夾層材料的動態(tài)響應特性,為其應用提供理論指導.1試驗研究方法試驗中所用鋁板為純鋁,厚度為0.3mm. 所用的泡沫鋁由安徽省淮北市虹波泡沫金屬材料廠生產(chǎn)制造,孔徑為0.54.0mm,平均密度0.65g·cm-3. 泡沫鋁芯體厚度12mm,試樣直徑為35mm,厚度為12.6mm,試樣分3層,上下2層為鋁板,中間為泡沫鋁芯體,鋁板和泡沫鋁之間用環(huán)氧樹脂

4、粘結劑粘結. 試驗采用分離式Hopkinson壓桿(SHPB裝置,分別測試了泡沫鋁芯體夾層板、單面粘貼鋁板的泡沫鋁及單純泡沫鋁在302s-1、520s-1和1560s-1應變率下的應力-應變曲線,通過分析,對其動態(tài)力學的吸能特性進行了研究.2試驗結果與分析為了更好掌握夾層板沖擊性能,分別對泡沫 第1期 諶河水,等:泡沫鋁芯體夾層板的沖擊力學性能研究 119 鋁、單面粘貼鋁板的泡沫鋁和泡沫鋁芯體夾層板進行了試驗研究. 圖1是泡沫鋁芯體夾層板SHPB 實驗的典型原始波形圖,從圖1中可看出,入射脈沖經(jīng)過泡沫鋁芯體夾層材料后傳遞到輸出桿的脈沖有很大程度的衰減,這正是由于泡沫鋁粘彈性的本 構特性所引起的

5、. 圖3 應變率為520s -1時各試樣的應力-應變曲線 圖4 應變率1560s -1時各試樣的應力-應變曲線 圖5 不同應變率下泡沫鋁芯體夾層板應力-應變曲線圖1 應變片采集到的原始電壓信號圖2為泡沫鋁芯體夾層板在應變率為520s -1時應力時程曲線. 從圖2中可以看出,泡沫鋁芯體夾層板的應力在沖擊下存在彈性區(qū)、屈服區(qū)和致密區(qū). 圖2 泡沫鋁芯體夾層板的應力時程2.1 泡沫夾層板應力-應變曲線圖3和圖4分別是應變率為520s -1和1560s -1時的泡沫鋁試樣、單面粘貼鋁板時的泡沫鋁試樣和泡沫鋁芯體夾層板的應力-應變曲線.從圖3和圖4可知,在相同應變率下,4種試樣在彈性區(qū)具有不同的斜率,以

6、泡沫鋁夾層板最大,且彈性屈服強度也是泡沫鋁夾層板最大,單純的泡沫鋁最小,但是差別不大,主要是鋁板很薄,在沖擊作用下變形很小.圖5是不同應變率時夾層板的應力-應變曲線,從圖5中可以看出,泡沫鋁芯體夾層板動態(tài)壓縮應力-應變曲線與泡沫鋁的動態(tài)壓縮應力-應變曲線具有相似的特征. 彈性區(qū)斜率基本一樣. 而屈服值隨著應變率增加而增加,在1560s -1時,存在明顯致密化上升區(qū)域. 2.2 泡沫鋁芯體夾層板的吸能特征泡沫鋁芯體夾層板中,鋁板因厚度小,在沖擊力作用下,產(chǎn)生的塑性變形很小,因此,夾層板體主要通過泡沫鋁被壓縮來吸收能量,隨著泡沫鋁芯體塑性變形的增大,大量的壓縮能量被吸收,而單位體積泡沫鋁芯體所吸收

7、的能量可由下式來表達C 7:d dC =,式中:d 為泡沫鋁芯體壓縮至致密化開始時的應120 寧波大學學報(理工版 2007變量;為流動應力;為應變.對于1個給定的試樣,當應變是d 時,其單位體積吸收的能量可以用應力-應變曲線下的積分面積來表示. 泡沫鋁芯體夾層板在受壓縮載荷時,孔壁經(jīng)歷了彈性、塑性和致密化變形階段,在線彈性區(qū)吸能不多,而在屈服平臺區(qū)應力幾乎不變,能量被大量吸收. 從圖6和圖7可看出,在相同應變率的條件下,泡沫鋁芯體夾層板材料具有更好的緩沖吸能特性. 由此可見,泡沫鋁芯體夾層板在抗沖擊方面具有更好的性能. 而從圖6和圖7的比較可看出,隨著應變率的增加,各種試樣的能量吸收都會增加

8、. 圖6 應變率為520s -1各試樣的吸能量曲線 圖7 應變率為1560s -1時各試樣吸能曲線 J. Miltz 提出了吸能效率(Efficiency和理想吸能效率(Ideality曲線8,分別定義為: 吸能效率曲線:01d m mE =, 理想吸能效率曲線:01d mm mE =, 式中:m 為任意應變;m 為對應的應力值. 吸能效率曲線表示試樣吸能效率與應力值的關系,可以較準確地反映試樣達到最佳吸能效果時對應的應力值. 理想吸能效率曲線表示泡沫鋁實際吸收能量值與理想胞狀材料(其應力-應變曲線為一水平線壓縮到相同應變量所吸收能量的比值,反映了各種試樣吸能性能的優(yōu)劣程度.從圖8中可以看出,

9、在相同應力作用下,泡沫鋁材料的吸能效率比另外3種試樣的吸能效率高,在應力為100MPa時,泡沫鋁達到最佳吸能效果.圖8 應變率為1560s -1時各試樣的吸能效率曲線2.3 應變率敏感性對于泡沫金屬,屈服強度則被定義為:在壓縮變形過程中,第一層的孔洞發(fā)生失效時所對應的應力-應變曲線上的第一個峰值. 對于屈服強度的確定,在屈服點不明顯時,一般以應變量的3%5%所對應的壓縮應力作為泡沫金屬的屈服強度9. 按照這個原則,取對應于圖5的應力-應變曲線上3%處的應力,可以得到圖9. 從圖9中可以看出,隨著應變率的增加,泡沫鋁芯體夾層板的屈服強度有明顯的提高,因此,泡沫鋁芯體夾層板也具有應變率效應.圖9

10、泡沫鋁芯體夾層板的屈服強度值第1期諶河水,等:泡沫鋁芯體夾層板的沖擊力學性能研究 1213結論泡沫鋁芯體夾層板在沖擊載荷下的應力-應變曲線同樣具有泡沫材料所具有的“三階段”特性,即彈性區(qū)、屈服區(qū)、和致密區(qū). 在相同的應變率作用下,泡沫鋁芯體夾層板比泡沫鋁具有更高的屈服強度和更好的緩沖吸能性能. 在不同的應變率下泡沫鋁芯體夾層板表現(xiàn)出很強的應變率相關性,流動應力隨應變率增加而增加.參考文獻:1Kesler O, Gibson L J. Size effects in metallic foam coresandwich beamsJ. Materials Science and Engineer

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16、sing stress of sandwich beams with aluminum foam core including strain responding attribute, energy absorbing characteristic and strain rate sensitivity. The results indicate that the dynamic stress-strain curves of sandwich beams with aluminum foam core also show the “three-stages” characteristics in general foam materials. Compared with aluminum foam, sandwich