陳軍紅，張方舉，謝若澤，徐偉芳，胡文軍

緩沖與隔振

泡沫鋁填充薄壁金屬管結構沖擊吸能特性研究

陳軍紅，張方舉，謝若澤，徐偉芳，胡文軍

（中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

為了研究靜動態(tài)加載下泡沫鋁填充薄壁金屬管結構吸能特性隨泡沫鋁密度的變化規(guī)律。利用材料試驗機對3種不同密度的泡沫鋁填充薄壁金屬管結構進行準靜態(tài)壓縮，利用Taylor–Hopkinson實驗裝置對相同結構進行動態(tài)壓縮實驗，基于電測和光測法獲得結構的靜動態(tài)壓縮載荷位移曲線，對載荷位移曲線進行積分得到結構的靜動態(tài)吸能特性。準靜態(tài)壓縮下，隨著泡沫鋁密度的增加，泡沫鋁填充薄壁管結構能量吸收能力近似成指數(shù)增加。動態(tài)壓縮下，結構能量吸收能力隨泡沫鋁密度增加先保持不變后增加。準靜態(tài)壓縮下，在薄壁金屬管中添加泡沫鋁能明顯增加泡沫鋁填充薄壁金屬管結構能量吸收能力，但在動態(tài)壓縮下，低密度泡沫鋁的添加無益于增加結構的能量吸收能力，為增加薄壁金屬管的吸能能力需要求泡沫鋁的密度超過一定值。

泡沫鋁；薄壁金屬管結構；能量吸收；沖擊加載

泡沫鋁材料具有質量輕，壓縮載荷作用下較寬的應力平臺以及功能可設計等優(yōu)點，在防撞結構設計領域具有廣泛的應用[1-4]，但泡沫鋁單軸抗壓強度較低，難以單獨作為抗壓材料使用。薄壁金屬管具有軸向壓縮載荷較大且較平穩(wěn)的優(yōu)點[5-7]，但容易發(fā)生屈曲失穩(wěn)，導致結構吸能不充分。泡沫鋁填充薄壁管金屬管結構克服了泡沫鋁和薄壁金屬管單獨作為吸能材料的缺點，一方面，薄壁金屬管對泡沫鋁材料施加側向約束，使得泡沫鋁的承載能力提高，另一方面，泡沫鋁材料的添加增加了薄壁金屬管的穩(wěn)定性，使其發(fā)生屈曲失穩(wěn)的可能性降低，這使得泡沫鋁填充薄壁金屬管的能量吸收能力大于泡沫鋁和薄壁金屬管單獨作為吸能結構能量吸收的總和。正因為如此，泡沫鋁填充金屬管結構廣泛應用于火車、汽車的沖擊防護結構[8-9]中。在泡沫鋁填充薄壁金屬管吸能結構設計中，需研究的問題是在薄壁金屬管中匹配何種密度的泡沫鋁使得結構的吸能最大化，即需獲得泡沫鋁填充薄壁金屬管結構在靜動態(tài)壓縮下能量吸收能力隨泡沫鋁密度的變化規(guī)律，而在以往的研究中，泡沫鋁填充薄壁金屬管結構準靜態(tài)吸能特性研究相對較多，沖擊吸能特性研究多采用數(shù)值模擬方法，實驗研究相對較少[10-15]。

基于上述原因，文中對不同密度的泡沫鋁填充薄壁金屬管結構進行了準靜態(tài)和動態(tài)壓縮試驗，給出結構壓縮載荷位移曲線以及能量吸收特性，并獲得結構能量吸收能力隨泡沫鋁密度的變化規(guī)律。

1 試驗

1.1 試驗對象

試驗對象為1 mm空心薄壁管、1 mm薄壁管中填充密度為0.27～0.33 g/cm3的泡沫鋁結構、1 mm薄壁管中填充密度為0.37～0.43 g/cm3的泡沫鋁結構。薄壁管材料為06Cr19Ni10不銹鋼，管外徑為100 mm，壁厚為1 mm，高度為140 mm。典型試驗件圖像見圖1。

1.2 方法

準靜態(tài)壓縮試驗在材料試驗機上完成，試驗機壓頭直接對試驗件進行加載，加載應變率為10 mm/min。傳統(tǒng)的材料動態(tài)壓縮裝置一般為分離式霍普金森壓桿（SHPB），但利用SHPB進行泡沫類材料動態(tài)壓縮時存在一些缺陷，一方面，因子彈長度有限，使得加載脈沖寬度受限，無法獲得材料大變形下的應力應變數(shù)據(jù)；另一方面，泡沫類材料在動態(tài)壓縮時會發(fā)生嚴重的局部變形，這使得“應力/應變沿試樣長度均勻分布”這一基本前提難以滿足。為克服SHPB加載缺陷，有研究者利用落錘裝置對泡沫類吸能材料進行動態(tài)壓縮試驗，但一方面，落錘裝置難以控制撞擊姿態(tài)，另一方面，撞擊速度受落錘初始高速限制?；诖?，文中在傳統(tǒng)SHPB和落錘試驗裝置基礎上，建立了Taylor–Hopkinson試驗裝置，該裝置示意圖見圖2。將試樣直接放置于入射桿前端，利用空氣炮驅動子彈以一定的速度直接撞擊試樣，通過分析粘貼于入射桿上的應變片所采集的信號來獲得試樣的載荷信息，試樣的載荷通過式（1）計算。

式中：F為試樣載荷；E為入射桿彈性模量；ε(t)為入射桿上應變片測得的信號。試驗件的位移通過片光源測得。試驗中，控制驅動氣壓大小使得子彈裝置速度為14 m/s。動態(tài)壓縮試驗時，利用高速攝影機記錄結構的變形過程。為保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，在準靜態(tài)和動態(tài)加載下，每種泡沫鋁填充薄壁金屬管試驗件數(shù)不少于5。

圖2 Taylor–Hopkinson裝置示意圖

2 試驗結果

2.1 準靜態(tài)壓縮載荷位移曲線及變形特性

1 mm空心薄壁管、1 mm薄壁管中填充密度為0.27～0.33 g/cm3的泡沫鋁結構、1 mm薄壁管中填充密度為0.37～0.43 g/cm3的泡沫鋁這3種結構準靜態(tài)壓縮載荷位移曲線分別見圖3—5。對于1 mm空心薄壁管，隨著位移增加，載荷近似呈線性增加到最大值（峰值載荷），隨后載荷開始下降到一穩(wěn)定值（平臺載荷）。1 mm空心薄壁管的平均峰值載荷和平均平臺載荷分別為111 kN和31 kN。在空心薄壁管中填充泡沫鋁后，結構表現(xiàn)出類似的力學行為，即載荷先增加到最大值，后下降到一穩(wěn)定的平臺值。不同的是，添加泡沫鋁后，結構在達到平臺載荷后，載荷出現(xiàn)明顯的周期性的波動，且2種結構載荷波動周期近似相同。1 mm薄壁管中填充密度為0.27～0.33 g/cm3的泡沫鋁和1 mm薄壁管中填充密度為0.37～0.43 g/cm3的泡沫鋁這2種結構的平均峰值載荷分別為107 kN和126 kN，平均平臺載荷分別為46 kN和82 kN。

3種結構典型的載荷位移曲線對比，以及1 mm薄壁管中填充密度為0.37～0.43 g/cm3的泡沫鋁結構在不同階段的變形形貌見圖6。從圖6中可以看出，在1 mm鋼筒中填充密度為0.27～0.33 g/cm3的泡沫鋁后，結構的峰值載荷并沒有提高，而平臺載荷略有提高，約為1 mm空心鋼筒的1.5倍。在1 mm鋼筒中填充密度為0.37～0.43 g/cm3的泡沫鋁后，結構的峰值載荷略有增加，平臺載荷增幅較大，約為1 mm鋼筒的2.7倍。此外，從結構不同階段變形圖可以看出，添加泡沫鋁后，周期性載荷波動對應結構的屈曲失穩(wěn)行為，周期性載荷峰值即對應于一個新的屈曲折皺的形成。

圖3 1 mm空心薄壁管準靜態(tài)壓縮載荷位移曲線

圖4 1 mm薄壁管中填充密度為0.27～0.33 g/cm3的泡沫鋁結構準靜態(tài)壓縮載荷位移曲線

圖5 1mm薄壁管密度為0.37～0.43 g/cm3的泡沫鋁結構準靜態(tài)壓縮載荷位移曲線

2.2 動態(tài)壓縮載荷位移曲線及變形特性

1 mm空心薄壁管、1 mm薄壁管中填充密度為0.27～0.33 g/cm3的泡沫鋁結構、1 mm薄壁管中填充密度為0.37～0.43 g/cm3的泡沫鋁3種結構動態(tài)壓縮載荷位移曲線分別見圖7—9。1 mm空心薄壁管表現(xiàn)出與準靜態(tài)壓縮類似的載荷位移行為，即載荷先上升到峰值隨后下降到一穩(wěn)定值，而填充密度為0.27～0.33 g/cm3和0.37～0.43 g/cm3的2種泡沫鋁后，在平臺載荷區(qū)，結構的載荷隨著位移的增加略有增長，即表現(xiàn)出一定的變形硬化行為。3種結構的平均峰值載荷分別為283、264、279 kN，明顯高于準靜態(tài)壓縮。準靜態(tài)加載下，加載采取位移控制模式，故能實現(xiàn)結構大變形加載，而在動態(tài)加載下，當撞擊子彈速度衰減為零或子彈發(fā)生反彈時，結構變形達到最大。在14 m/s的撞擊速度下，3種結構的最終位移略有差別，其中1 mm空心薄壁管的平均最終位移最大，為23 mm；1 mm薄壁管中填充密度為0.27～0.33 g/cm3的泡沫鋁結構的平均最終位移為21 mm；1 mm薄壁管中填充密度為0.37～0.43 g/cm3的泡沫鋁結構的平均最終位移為19 mm。為便于比較，選取相同位移時對應的載荷進行對比。當位移為19 mm時，3種結構的平均載荷分別為38.2、66.4、90.2 kN。

圖6 結構準靜態(tài)壓縮載荷位移曲線對比

圖7 1 mm空心薄壁管動態(tài)壓縮載荷位移曲線

圖8 1 mm薄壁管中填充密度為0.27～0.33 g/cm3的泡沫鋁結構動態(tài)壓縮載荷位移曲線

圖9 1 mm薄壁管中填充密度為0.37～0.43 g/cm3的泡沫鋁結構動態(tài)壓縮載荷位移曲線

3種結構在動態(tài)壓縮下典型載荷–位移曲線對比見圖10。從圖10中可以看出，1 mm空心薄壁管和1 mm薄壁管中填充充密度為0.27～0.33 g/cm3的泡沫鋁2種結構載荷位移曲線基本上是重合的，這表明在1 mm空心薄壁管中添加充密度為0.27～0.33 g/cm3的泡沫鋁并不能增加結構的承載能力，而在1 mm空心薄壁管中添加密度為0.37～0.43 g/cm3的泡沫鋁后，結構的峰值載荷并未增加，但平臺載荷卻有一定程度的提高。

動態(tài)壓縮下，3種泡沫鋁填充薄壁管結構在相同時刻的變形形貌見圖11。從圖11中可以看出，1 mm薄壁管出現(xiàn)非圓形對稱屈曲，而1 mm薄壁管中填充密度為0.27～0.33 g/cm3和0.37～0.43g/cm3的泡沫鋁結構件則均出現(xiàn)了圓形對稱屈曲變形。此外，在相同時刻，1 mm薄壁管變形量最大，1 mm薄壁管中填充密度為0.27～0.33 g/cm3泡沫鋁結構變形量其次，1 mm薄壁管中填充密度為0.37～0.43g/cm3的泡沫鋁結構變形量最小，這與結構最終位移的變化趨勢是一致的。

圖10 結構動態(tài)壓縮載荷位移曲線對比

圖11 泡沫鋁填充薄壁金屬結構變形形貌

2.3 靜動態(tài)壓縮吸能特性分析

對載荷位移曲線進行積分，即得到結構的能量吸收，用以表征結構在壓縮載荷作用下的能量吸收能力。在14 m/s撞擊速度下，3種泡沫鋁填充薄壁管結構的最小變形約為19 mm，且從圖3—5和圖7—9可以看出，在變形量為19 mm時，3種結構的載荷均已進入平臺階段，因此，選取變形量為19 mm時對應的結構能量吸收進行對比。靜動態(tài)壓縮下，在壓縮位移為19 mm時泡沫鋁填充薄壁金屬管結構能量吸收隨結構質量變化見圖12。圖12中橫坐標為結構質量，在相同尺寸條件下，反映的是泡沫鋁材料的密度，離散的點為試驗數(shù)據(jù)點，曲線是根據(jù)數(shù)據(jù)點擬合得到的。從圖12可以看出，在不同加載應變率下，泡沫鋁填充薄壁金屬管結構的能量吸收隨泡沫鋁密度的變化規(guī)律是不相同的，準靜態(tài)壓縮下，隨著泡沫鋁密度的增加，結構的能量吸收能力近似呈指數(shù)增加，而在動態(tài)壓縮下，隨著泡沫鋁密度的增加，結構能量吸收能力先近似保持不變，隨后再開始增加。

圖12 泡沫鋁填充薄壁金屬結構能量吸收隨質量變化曲線

3 討論

從以上試驗結果可以看出泡沫鋁填充空心薄壁管結構在不同加載應變率下變現(xiàn)出不同的變形和吸能特性，總結如下。

1）準靜態(tài)加載下，在1 mm空心薄壁管中添加泡沫鋁能提高結構的承載能力，結構的能量吸收能力也會得到提高。

2）動態(tài)加載下，在1 mm空心薄壁管中添加低密度泡沫鋁（0.27～0.33g/cm3）無助于結構承載和能量吸收能力的提升，需添加較高密度的泡沫鋁（0.37～0.43 g/cm3）才能提高結構的承載和能量吸收能力。

薄壁管中添加泡沫鋁填充后復合結構承載能力為薄壁管和泡沫鋁承載能力之和。在壓縮載荷作用下，復合結構中薄壁管和泡沫鋁具有相同的位移，因此添加泡沫鋁是否能增加薄壁管結構的承載和能量吸收能力取決于兩者的強度是否匹配。若添加的泡沫鋁強度與薄壁管相差不多或強于薄壁管，則薄壁管承載和能量吸收能力會得到提升。反之，若添加的泡沫鋁強度較弱，則無助于薄壁管承載和能量吸收能力的提升。

文中的試驗結果中，泡沫鋁填充空心薄壁管結構在不同應變率下表現(xiàn)出的不同變形和吸能特性應歸因于薄壁鋼筒和泡沫鋁強度具有不同的應變率效應。準靜態(tài)加載下，隨著泡沫鋁的添加，1 mm鋼筒的承載和能量吸收能力增加。隨著應變率的升高，1 mm鋼筒的承載能力大幅度的提升，從試驗結果來看，動態(tài)加載下峰值載荷為準靜態(tài)加載情況下2.5倍，結構承載能力表現(xiàn)出較強的應變率強化效應。對于泡沫鋁材料的應變率效應，現(xiàn)有的研究多有爭議，泡沫鋁的應變率效應與孔洞狀態(tài)以及大小等因素均相關。Deshpande等[16]指出泡沫鋁力學性能表現(xiàn)出弱的應變率敏感性；張健等[17]指出不同密度的泡沫鋁表現(xiàn)出不同的應變率效應，隨著密度的增加，泡沫鋁材料的應變率敏感性增強。在動態(tài)加載下，1 mm薄壁金屬管的承載能力相比準靜態(tài)情況得到了很大提升，而密度為0.37～0.43 g/cm3的泡沫鋁的應變率強化效應應高于密度為0.27～0.33 g/cm3泡沫鋁，這種應變率強化效應的差別可能會導致在動態(tài)加載下，密度為0.27～0.33 g/cm3的泡沫鋁的承載能力低于1 mm薄壁鋼筒，該種材料的添加無助于鋼筒結構承載和吸能能力的提升，而密度為0.37～0.43 g/cm3的泡沫鋁的承載能力與1 mm薄壁鋼筒的承載能力相匹配，該種泡沫鋁的添加有利于1 mm薄壁鋼筒結構承載和吸能能力的提升。此外，在更高的撞擊速度下，泡沫鋁填充空心薄壁管結構將會發(fā)生更大的變形，但泡沫鋁和薄壁鋼筒的應變率效應規(guī)律以及結構能量隨泡沫鋁密度的變化規(guī)律不會發(fā)生變化。

4 結語

通過試驗對不同密度泡沫鋁填充薄壁金屬管結構的靜動態(tài)壓縮變形及吸能特性進行了研究，得到了以下結論。

1）準靜態(tài)壓縮載荷作用下，在1 mm薄壁管中填充密度較高的泡沫鋁材料（0.37～0.43 g/cm3）能有效地提高薄壁管的峰值載荷和平臺載荷，填充密度較低的泡沫鋁材料（0.27～0.3 3g/cm3）對提高薄壁管的峰值載荷作用不明顯，但能提高薄壁管的平臺載荷。

2）動態(tài)壓縮下，1 mm薄壁管在達到峰值載荷后，載荷即下降到一穩(wěn)定平臺值，而1 mm薄壁管中填充密度為0.27～0.33 g/cm3和0.37～0.45 g/cm3的泡沫鋁2種結構在達到峰值載荷且載荷下降之后，載荷隨著位移的增加略有增長，即表現(xiàn)出一定的變形硬化行為。此外，3種結構的動態(tài)壓縮峰值載荷均明顯大于準靜態(tài)壓縮時，表現(xiàn)出應變率強化效應。

3）能量吸收方面，準靜態(tài)壓縮時，在薄壁管中添加泡沫鋁即可增加結構的能量吸收能力，而在動態(tài)壓縮下，薄壁管中添加密度較高的泡沫鋁（0.37～0.43 g/cm3）才能提高結構的能量吸收能力，低密度泡沫鋁（0.27～0.33 g/cm3）的添加無助于增加結構的能量吸收能力。泡沫鋁填充空心薄壁管結構在不同應變率下表現(xiàn)出的不同變形和吸能特性，這可能歸因于薄壁鋼筒和泡沫鋁強度具有不同的應變率效應。

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Impact Energy Absorption Characteristics of Thin-walled Metallic Circular Tube Structure with Aluminium Foam Filler

CHEN Jun-hong, ZHANG Fang-ju, XIE Ruo-ze, XU Wei-fang, HU Wen-jun

(Institude of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Sichuan Mianyang 621999, China)

This paper is to study the change law of the energy absorption characteristics of thin-walled metallic circular tube structure with aluminium foam filler under static and dynamic loading. The quasi-static compression of three kinds of thin-walled metallic circular tube structure with aluminium foam filler with different densities was carried out by the material test machine, and the dynamic compression experiment of the same structure was carried out by the Taylor–Hopkinson experimental device, and static and dynamic compressive load-displacement curves of the structure were obtained based on the electrical and optical measurement methods, and the static and dynamic energy absorption characteristics of the structure were obtained by integrating the load-displacement curves. Under quasi-static compression, with the increase of the density of aluminum foam, the energy absorption capacity of the thin-walled metallic circular tube structure with aluminium foam filler increases at an exponential rate. Under dynamic compression, the energy absorption capacity of the structure remains unchanged at first and then increases with the increase of the density of aluminum foam. Under quasi-static compression, the addition of aluminum foam to the thin-walled metallic circular tube can significantly increase the energy absorption capacity of the thin-walled metallic circular tube structure with aluminium foam filler, but under dynamic compression, the addition of low-density aluminum foam is not beneficial to increase the energy absorption capacity of the structure. In order to increase the energy absorption capacity of the thin-walled metallic circular tube, the density of the aluminium foam needs to exceed a certain value.

aluminium foam; thin-walled metallic circular tube structure; energy absorption; impact loading

TB485.1；O347

A

1001-3563(2022)11-0154-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.11.020

2021–05–28

國家自然科學基金（11602257，11572299）

陳軍紅（1987—），男，副研究員，主要研究方向為材料與結構沖擊動力學。

張方舉（1970—），男，研究員，主要研究方向為材料動力學與結構沖擊防護。

責任編輯：曾鈺嬋