泡沫铝芯体夹层板的冲击力学性能研究 - 图文-

1、第20卷第1期宁波大学学报(理工版V ol.20 No.1 2007年3月JOURNAL OF NINGBO UNIVERSITY ( NSEE Mar. 2007文章编号:1001-5132(200701-0118-04泡沫铝芯体夹层板的冲击力学性能研究谌河水,赵恒义,张明华(宁波大学力学与材料科学研究中心,浙江宁波 315211摘要:研究了不同应变率下泡沫铝夹层板的动态压缩应力-应变响应特性、吸能特性和应变率敏感性. 实验结果表明:泡沫铝夹层板的动态应力应变曲线也具有泡沫材料的应力应变曲线的“三阶段”特征. 泡沫铝芯体夹层板与泡沫铝相比,具有更高的屈服极限和更好的缓冲吸能特性.关键词:泡沫

2、铝夹层板;应变率敏感性;吸能中图分类号:O343.4文献标识码:A泡沫铝是种包含大量孔洞的铝基轻质多孔材料,孔隙率一般为40%90%. 泡沫铝具有密度小、吸能缓冲能力强、消声性能好等特点,但在实际应用中相对致密板材而言,泡沫铝模量较低,表面粗糙,不能单独作为结构材料使用,因而其应用受到了限制. 将泡沫铝和其他板材结合起来组成复合材料使用,即以泡沫铝作为芯体组成的夹层板,将发挥泡沫铝和板材优点,为泡沫铝的发展提供了广阔的应用前景.正是因为泡沫铝复合板材的特殊性能,近几年来,对泡沫铝芯体夹层材料的研究成为国内外热点. 其中,国外对泡沫铝芯体夹层板材料性能进行了比较系统研究1-4. 同时对于壳板为钢

3、板、铝板、玻璃纤维,芯体为泡沫铝或PVC的多层板材的抗弯曲和剪切性能都进行过研究5. 国内部分学者对泡沫铝芯夹层圆筒的性能进行了研究6,但对于泡沫金属夹层板抗冲击力学性能的研究还不多见.本文对铝板加泡沫铝夹层材料的冲击力学性能进行研究,以掌握夹层材料的动态响应特性,为其应用提供理论指导.1试验研究方法试验中所用铝板为纯铝,厚度为0.3mm. 所用的泡沫铝由安徽省淮北市虹波泡沫金属材料厂生产制造,孔径为0.54.0mm,平均密度0.65g·cm-3. 泡沫铝芯体厚度12mm,试样直径为35mm,厚度为12.6mm,试样分3层,上下2层为铝板,中间为泡沫铝芯体,铝板和泡沫铝之间用环氧树脂

4、粘结剂粘结. 试验采用分离式Hopkinson压杆(SHPB装置,分别测试了泡沫铝芯体夹层板、单面粘贴铝板的泡沫铝及单纯泡沫铝在302s-1、520s-1和1560s-1应变率下的应力-应变曲线,通过分析,对其动态力学的吸能特性进行了研究.2试验结果与分析为了更好掌握夹层板冲击性能,分别对泡沫 第1期 谌河水,等:泡沫铝芯体夹层板的冲击力学性能研究 119 铝、单面粘贴铝板的泡沫铝和泡沫铝芯体夹层板进行了试验研究. 图1是泡沫铝芯体夹层板SHPB 实验的典型原始波形图,从图1中可看出,入射脉冲经过泡沫铝芯体夹层材料后传递到输出杆的脉冲有很大程度的衰减,这正是由于泡沫铝粘弹性的本 构特性所引起的

5、. 图3 应变率为520s -1时各试样的应力-应变曲线 图4 应变率1560s -1时各试样的应力-应变曲线 图5 不同应变率下泡沫铝芯体夹层板应力-应变曲线图1 应变片采集到的原始电压信号图2为泡沫铝芯体夹层板在应变率为520s -1时应力时程曲线. 从图2中可以看出,泡沫铝芯体夹层板的应力在冲击下存在弹性区、屈服区和致密区. 图2 泡沫铝芯体夹层板的应力时程2.1 泡沫夹层板应力-应变曲线图3和图4分别是应变率为520s -1和1560s -1时的泡沫铝试样、单面粘贴铝板时的泡沫铝试样和泡沫铝芯体夹层板的应力-应变曲线.从图3和图4可知,在相同应变率下,4种试样在弹性区具有不同的斜率,以

6、泡沫铝夹层板最大,且弹性屈服强度也是泡沫铝夹层板最大,单纯的泡沫铝最小,但是差别不大,主要是铝板很薄,在冲击作用下变形很小.图5是不同应变率时夹层板的应力-应变曲线,从图5中可以看出,泡沫铝芯体夹层板动态压缩应力-应变曲线与泡沫铝的动态压缩应力-应变曲线具有相似的特征. 弹性区斜率基本一样. 而屈服值随着应变率增加而增加,在1560s -1时,存在明显致密化上升区域. 2.2 泡沫铝芯体夹层板的吸能特征泡沫铝芯体夹层板中,铝板因厚度小,在冲击力作用下,产生的塑性变形很小,因此,夹层板体主要通过泡沫铝被压缩来吸收能量,随着泡沫铝芯体塑性变形的增大,大量的压缩能量被吸收,而单位体积泡沫铝芯体所吸收

7、的能量可由下式来表达C 7:d dC =,式中:d 为泡沫铝芯体压缩至致密化开始时的应120 宁波大学学报(理工版 2007变量;为流动应力;为应变.对于1个给定的试样,当应变是d 时,其单位体积吸收的能量可以用应力-应变曲线下的积分面积来表示. 泡沫铝芯体夹层板在受压缩载荷时,孔壁经历了弹性、塑性和致密化变形阶段,在线弹性区吸能不多,而在屈服平台区应力几乎不变,能量被大量吸收. 从图6和图7可看出,在相同应变率的条件下,泡沫铝芯体夹层板材料具有更好的缓冲吸能特性. 由此可见,泡沫铝芯体夹层板在抗冲击方面具有更好的性能. 而从图6和图7的比较可看出,随着应变率的增加,各种试样的能量吸收都会增加

8、. 图6 应变率为520s -1各试样的吸能量曲线 图7 应变率为1560s -1时各试样吸能曲线 J. Miltz 提出了吸能效率(Efficiency和理想吸能效率(Ideality曲线8,分别定义为: 吸能效率曲线:01d m mE =, 理想吸能效率曲线:01d mm mE =, 式中:m 为任意应变;m 为对应的应力值. 吸能效率曲线表示试样吸能效率与应力值的关系,可以较准确地反映试样达到最佳吸能效果时对应的应力值. 理想吸能效率曲线表示泡沫铝实际吸收能量值与理想胞状材料(其应力-应变曲线为一水平线压缩到相同应变量所吸收能量的比值,反映了各种试样吸能性能的优劣程度.从图8中可以看出,

9、在相同应力作用下,泡沫铝材料的吸能效率比另外3种试样的吸能效率高,在应力为100MPa时,泡沫铝达到最佳吸能效果.图8 应变率为1560s -1时各试样的吸能效率曲线2.3 应变率敏感性对于泡沫金属,屈服强度则被定义为:在压缩变形过程中,第一层的孔洞发生失效时所对应的应力-应变曲线上的第一个峰值. 对于屈服强度的确定,在屈服点不明显时,一般以应变量的3%5%所对应的压缩应力作为泡沫金属的屈服强度9. 按照这个原则,取对应于图5的应力-应变曲线上3%处的应力,可以得到图9. 从图9中可以看出,随着应变率的增加,泡沫铝芯体夹层板的屈服强度有明显的提高,因此,泡沫铝芯体夹层板也具有应变率效应.图9

10、泡沫铝芯体夹层板的屈服强度值第1期谌河水,等:泡沫铝芯体夹层板的冲击力学性能研究 1213结论泡沫铝芯体夹层板在冲击载荷下的应力-应变曲线同样具有泡沫材料所具有的“三阶段”特性,即弹性区、屈服区、和致密区. 在相同的应变率作用下,泡沫铝芯体夹层板比泡沫铝具有更高的屈服强度和更好的缓冲吸能性能. 在不同的应变率下泡沫铝芯体夹层板表现出很强的应变率相关性,流动应力随应变率增加而增加.参考文献:1Kesler O, Gibson L J. Size effects in metallic foam coresandwich beamsJ. Materials Science and Engineer

11、ing, 2002, 326(2:2002:955-977.2Radford D D, Mcshane G J, Deshpande V S, et al. Theresponse of clamped sandwich plates with metallic foam cores to simulated blast loadingJ. International Journal of Solids and Structures, 2006, 43:2 243-2 259.3Vaidya U K, Pillay S, Ulven C A, et al. Impact andpost-imp

12、act vibration response of protective metal foam composite sandwich platesJ. Materials Science and Engineering, 2004, 428:59-66.4Harte A M, Fleck N A, Ashby F M. The fatigue strengthof sandwich beams with an aluminum alloy foam coreJ.International Journal of Fatigue, 2001, 23:499-507.5Yu J L, Wang X,

13、 Wei Z G, et al. Deformation and failuremechanism of dynamicall loaded sandwich beams with aluminum-foam coreJ. International Journal of Impact Engineering, 2003, 28:331-347.6王松林. 碳化硅增强泡沫铝层合圆管的制备及其力学性能研究D. 合肥: 合肥工业大学硕士论文, 2006. 7Mukai T, Kanabashi H, Miyoshi T. Experimental study ofenergy absorption

14、 in a closed-celled aluminum foam under dynamic loadingJ. Scripta Materialia, 1999, 40: 921-927.8Miltz J, Gruenbaum G. Evaluation of cushion propertiesof plastic foams compressive measurementsJ. Polymer Engineering and Science, 1981, 21:1 010-1 014.9王新坤, 袁起立. 真空渗流法制备泡沫铝及其动态力学性能的研究J. 铸造技术, 2006, 27(3

15、:239-242.Research on the Impact Mechanic Property of Sandwich Beams withAluminum Foam CoreCHEN He-shui, ZHAO Heng-yi, ZHANG Ming-hua( Mechanic and Material Science Research Center, Ningbo University, Ningbo 315211, China Abstract: Under different strain rate, research is taken on the dynamic compres

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