闭孔泡沫铝的动态压剪性能研究.docx

闭孔泡沫铝的动态压剪性能研究摘要：利用改进的分离式Hopkinson压杆实验装置，对孔隙率范围为70%-92%的闭孔泡沫铝材料进行动态压剪实验，借助高速摄影仪记录试件在压剪加载过程中的变形行为。同时采用有限元软件ABAQUS，对闭孔泡沫铝的动态压剪加载过程进行数值模拟。研究表明，试件在压剪联合加载的过程中出现比较明显的压剪带，材料在压剪带位置破坏最严重;低孔隙率的闭孔泡沫铝应变率效应比较明显，而高孔隙率的闭孔泡沫铝基本没有应变率效应;随着试件倾角的增加，闭孔泡沫铝的屈服强度逐渐减小，而剪切应力增大，同时，试件出现屈服的时间随之缩短。关键词：闭孔泡沫铝;Hopkinson压杆;压剪;应变率效应0引言闭孔泡沫铝材料具有轻质、高比刚度、高比强度和减震吸能等优越性能[1]，广泛应用于航天航空、汽车工业、电子信息等多个领域[2]。闭孔泡沫铝材料在实际应用中，常处于复杂应力状态，例如泡沫铝受到冲击侵彻作用时，材料的破坏很大程度上是由于拉剪或压剪造成的，因此研究材料在复合加载情况下的动态力学性能是十分必要的。本文采用实验和数值模拟的方法研究闭孔泡沫铝的动态压剪性能，对闭孔泡沫铝在高应变率下的压剪实验方法进行探索，并对泡沫铝材料的应变率敏感性作进一步的分析。1、闭孔泡沫铝的动态压剪实验1.1实验方案闭孔泡沫铝动态压剪实验是在西安交通大学强度与振动重点实验室的SHPB(SliptHopkinsonPressureBar)实验装置上进行的，通过设计具有一定倾角的泡沫铝试件达到动态压剪的目的'(如图1-1所示)。同时，为了进行材料性能的比较，在MTS材料试验机上进行了部分试件的准静态实验。其中，SHPB装置上压杆的材料为硬质铝合金，实测密度2.78g/cm3，实测波速5215.8m/s，弹性模量75.6GPa，撞击杆(子弹)、入射杆、透射杆的直径均为37mm，长度分别为600mm、2000mm、2000mm。为了观察闭孔泡沫铝在动态压剪过程中的变形情况，使用了高速摄影仪，拍摄条件为：速度为21052fps，分辨率为128×240dpi，曝光时间为44μs。实验所用的闭孔泡沫铝由东南大学何徳坪教授课题组制备提供。试件的尺寸为：底面直径为25mm，高度为15mm的斜圆柱形(图1-2)，倾斜角度分别为0°、5°、10°和15°，试件的孔隙率范围为70%-92%。1.2实验结果分析和讨论本文对孔隙率为70%-92%的闭孔泡沫铝进行动态压剪实验，加载速度分别为15m/s和20m/s。通过高速摄影仪拍下的闭孔泡沫铝压剪变形过程如图1-3所示，从图中可以看出，试件在受到动态压剪加载的过程中，出现一个比较明显的压剪带，试件的孔洞首先在压剪带位置被挤压缩小，随后孔洞被压实乃至坍塌，试件在压剪带位置破坏最严重。为了研究闭孔泡沫铝试件的应变率敏感性，着重考虑试件在不同应变率条件下的屈服强度，闭孔泡沫铝的屈服强度由其应力-应变曲线的第一个峰值确定。由图1-4~图1-6可以看出，孔隙率为70%的试件的应变率效应最明显，随着应变率的升高，其屈服强度最高比准静态时提升了约34%;孔隙率为75%的试件，最高提升了约26%;孔隙率为82%和83%的试件的应变率效应已经变得很不明显，孔隙率为88%的试件则没有应变率效应。2、闭孔泡沫铝的动态压剪数值模拟2.1数值建模简介本文在对闭孔泡沫铝进行动态压剪实验基础上，利用有限元软件ABAQUS模拟泡沫铝的动态压剪联合加载过程。模型中的入射杆和透射杆使用线弹性硬质铝合金，其材料参数与实验中杆件的材料参数相同。闭孔泡沫铝使用Deshpande和Fleck的可压缩性金属泡沫CRUSHABLEFORM本构模型[4]，材料的密度为2.7g/cm3，弹性模量和泊松比分别为75.6GPa和0.3，硬化曲线采用MTS材料试验机对闭孔泡沫铝(孔隙率为71%)进行准静态实验所得到的准静态应力-应变曲线[5]。本文进行动态压剪数值模拟的载荷是在入射杆端施加一个应力脉冲[6]。2.2数值模拟结果分析和讨论利用有限元软件ABAQUS重点考察了试件在压剪联合加载过程中的变形情况(图2-1)，从图中可以看出，具有倾角的泡沫铝试件(5°、10°、15°)的破坏规律不同于0°倾角的试件，它们受到压剪加载后发生破坏的起始点是从试件的钝角处开始，并且试件在受到动态压剪加载后破坏最严重的区域是两个钝角的连线形成的剪切带。为了研究泡沫铝试件在动态压剪过程中压缩应力和剪切应力的变化规律，选取试件中的两个典型结点作为研究对象(图2-2)，其一为local点，该处应力集中最严重，试件在这个局部位置最先破坏;其二为middle点，该点处于试件的中心位置，其应力情况代表试件的整体应力情况化曲线。从图中可以看出，泡沫铝试件受到动态压剪加载后的应力曲线有两个特征点，分别是试件发生屈服开始点(Yi