閉孔泡沫鋁的動態壓剪性能研究

閉孔泡沫鋁的動態壓剪性能研究

　　摘要：利用改進的分離式Hopkinson 壓桿實驗裝置，對孔隙率范圍為70%-92%的閉孔泡沫鋁材料進行動態壓剪實驗，借助高速攝影儀記錄試件在壓剪加載過程中的變形行為。同時采用有限元軟件ABAQUS，對閉孔泡沫鋁的動態壓剪加載過程進行數值模擬。研究表明，試件在壓剪聯合加載的過程中出現比較明顯的壓剪帶，材料在壓剪帶位置破壞最嚴重;低孔隙率的閉孔泡沫鋁應變率效應比較明顯，而高孔隙率的閉孔泡沫鋁基本沒有應變率效應;隨著試件傾角的增加，閉孔泡沫鋁的屈服強度逐漸減小，而剪切應力增大，同時，試件出現屈服的時間隨之縮短。

　　關鍵詞：閉孔泡沫鋁;Hopkinson 壓桿;壓剪;應變率效應

　　0 引言

　　閉孔泡沫鋁材料具有輕質、高比剛度、高比強度和減震吸能等優越性能[1]，廣泛應用于航天航空、汽車工業、電子信息等多個領域[2]。閉孔泡沫鋁材料在實際應用中，常處于復雜應力狀態，例如泡沫鋁受到沖擊侵徹作用時，材料的破壞很大程度上是由于拉剪或壓剪造成的，因此研究材料在復合加載情況下的動態力學性能是十分必要的。本文采用實驗和數值模擬的方法研究閉孔泡沫鋁的動態壓剪性能，對閉孔泡沫鋁在高應變率下的壓剪實驗方法進行探索，并對泡沫鋁材料的應變率敏感性作進一步的分析。

　　1、閉孔泡沫鋁的動態壓剪實驗

　　1.1 實驗方案

　　閉孔泡沫鋁動態壓剪實驗是在西安交通大學強度與振動重點實驗室的SHPB(SliptHopkinson Pressure Bar)實驗裝置上進行的，通過設計具有一定傾角的泡沫鋁試件達到動態壓剪的目的(如圖1-1 所示)。同時，為了進行材料性能的比較，在MTS 材料試驗機上進行了部分試件的準靜態實驗。其中，SHPB 裝置上壓桿的材料為硬質鋁合金，實測密度2.78g/cm3，實測波速5215.8m/s，彈性模量75.6GPa，撞擊桿(子彈)、入射桿、透射桿的直徑均為37mm，長度分別為600mm、2000mm、2000mm。為了觀察閉孔泡沫鋁在動態壓剪過程中的變形情況，使用了高速攝影儀，拍攝條件為：速度為21052fps，分辨率為128×240dpi，曝光時間為44μs。實驗所用的閉孔泡沫鋁由東南大學何徳坪教授課題組制備提供。試件的尺寸為：底面直徑為25mm，高度為15mm 的斜圓柱形(圖1-2)，傾斜角度分別為0°、5°、10°和15°，試件的孔隙率范圍為70%-92%。

　　1.2 實驗結果分析和討論

　　本文對孔隙率為70%-92%的閉孔泡沫鋁進行動態壓剪實驗，加載速度分別為15m/s 和20m/s。通過高速攝影儀拍下的閉孔泡沫鋁壓剪變形過程如圖1-3 所示，從圖中可以看出，試件在受到動態壓剪加載的過程中，出現一個比較明顯的壓剪帶，試件的孔洞首先在壓剪帶位置被擠壓縮小，隨后孔洞被壓實乃至坍塌，試件在壓剪帶位置破壞最嚴重。

　　為了研究閉孔泡沫鋁試件的應變率敏感性，著重考慮試件在不同應變率條件下的屈服強度，閉孔泡沫鋁的屈服強度由其應力-應變曲線的第一個峰值確定。由圖1-4~圖1-6 可以看出，孔隙率為70%的試件的應變率效應最明顯，隨著應變率的升高，其屈服強度最高比準靜態時提升了約34%;孔隙率為75%的試件，最高提升了約26%;孔隙率為82%和83%的試件的應變率效應已經變得很不明顯，孔隙率為88%的試件則沒有應變率效應。

　　2、閉孔泡沫鋁的動態壓剪數值模擬

　　2.1 數值建模簡介

　　本文在對閉孔泡沫鋁進行動態壓剪實驗基礎上，利用有限元軟件ABAQUS 模擬泡沫鋁的動態壓剪聯合加載過程。模型中的入射桿和透射桿使用線彈性硬質鋁合金，其材料參數與實驗中桿件的材料參數相同。閉孔泡沫鋁使用Deshpande 和Fleck 的可壓縮性金屬泡沫CRUSHABLE FORM 本構模型[4]，材料的密度為2.7g/cm3，彈性模量和泊松比分別為75.6GPa 和0.3，硬化曲線采用MTS 材料試驗機對閉孔泡沫鋁(孔隙率為71%)進行準靜態實驗所得到的準靜態應力-應變曲線[5]。本文進行動態壓剪數值模擬的載荷是在入射桿端施加一個應力脈沖[6]。

　　2.2 數值模擬結果分析和討論

　　利用有限元軟件ABAQUS 重點考察了試件在壓剪聯合加載過程中的變形情況(圖2-1)，從圖中可以看出，具有傾角的泡沫鋁試件(5°、10°、15°)的破壞規律不同于0°傾角的試件，它們受到壓剪加載后發生破壞的起始點是從試件的鈍角處開始，并且試件在受到動態壓剪加載后破壞最嚴重的區域是兩個鈍角的連線形成的剪切帶。

　　為了研究泡沫鋁試件在動態壓剪過程中壓縮應力和剪切應力的變化規律，選取試件中的兩個典型結點作為研究對象(圖2-2)，其一為local 點，該處應力集中最嚴重，試件在這個局部位置最先破壞;其二為middle 點，該點處于試件的中心位置，其應力情況代表試件的整體應力情況化曲線。從圖中可以看出，泡沫鋁試件受到動態壓剪加載后的應力曲線有兩個特征點，分別是試件發生屈服開始點(Yield stress)和最大應力點(Peak stress)，為了便于比較，用Y σ 表示壓縮應力-時間曲線中試件開始屈服時的應力，P σ 表示最大應力， Y τ 表示剪切應力-時間曲線中試件開始屈服時的應力， P τ 表示最大應力， Y t 表示試件開始屈服的時間。給出了不同傾角的泡沫鋁試件middle 點在應變率分別為1000/s 和2000/s 時的壓縮應力和剪切應力。從圖中可以看出，泡沫鋁試件具有應變率效應。在相同應變率條件下，泡沫鋁試件開始屈服時對應的壓縮應力值Y σ 都隨著角度的增加而減小，而試件的最大壓縮應力值P σ 隨著角度的增加而增大，表明試件變形愈嚴重;泡沫鋁試件開始屈服時對應的剪切應力Y τ 隨著角度的增加而增大，最大剪切應力值P τ 隨著角度的增加也增大。這說明傾角越大的泡沫鋁試件越容易發生破壞。給出不同傾角的閉孔泡沫鋁試件(0°、5°、10°、15°、30°、45°)發生屈服時對應的壓縮應力和剪切應力。從圖中可以明顯看出，閉孔泡沫鋁試件在開始屈服時的壓縮應力隨著傾角的增加而減小，而試件的剪切應力隨著傾角的增加而增大。試件local 點的屈服應力隨著傾角的增加與middle 點的差值增大，表明局部變形加重;不同傾角的泡沫鋁試件local點和middle 點開始屈服的時間Y t 隨著角度的增加而減小(圖2-6)，說明泡沫鋁試件的傾角越大，在動態壓剪加載過程中屈服越快，同時局部變形越嚴重。

　　3、結論

　　本文用實驗和數值模擬的方法研究了閉孔泡沫鋁的動態壓剪力學性能。主要結論如下：

　　(1)具有傾角的泡沫鋁試件(5°、10°、15°)的變形規律不同于軸向壓縮(0°)的試件，它們受到壓剪加載后發生破壞的起始點是從試件的鈍角處開始，試件破壞最嚴重的區域是兩個鈍角的連線形成的壓剪帶，材料的孔洞首先在壓剪帶位置被擠壓縮小，隨之被壓實乃至坍塌。

　　(2)高孔隙率和低孔隙率閉孔泡沫鋁的應變率敏感性不同，孔隙率為70%的試件應變率效應最為明顯，孔隙率為88%的試件基本沒有應變率效應。

　　(3)隨著傾角的增加，試件屈服強度逐漸減小，剪切應力增大;傾角越大，試件發生破壞的時間越早，并且其變形越嚴重。

　　[參考文獻]

　　[1] 趙萬祥.新型功能材料泡沫鋁的研究進展[J].金屬熱處理,2004,29(6):162-167.

　　[2] Balch DK, O’Dwyer JG, Davis GR, et al. Plasticity and damage in alum inum syntactic foams deformed underdynamic and quasi-static conditions[J]. Materials Science and Engineering,2005, 391(1/2):4082417.

　　[3] Gary GT. Classic Split-Hopkinson Pressure Bar Testing[J]. American Society for Metals, 2000, 8:462-476

　　[4] Deshpande VS, Fleck NA. Isotropic constitutive models for metallic foams[J]. Journal of Mechanics andPhysics of Solids. 2000,48:1253-1283.

　　[5] Lu G, Shen J, Hou W. Dynamic indentation and penetration of aluminium foams[J]. International Journal ofMechanical Sciences,2008,50:933-934.

　　[6] 莊茁,張帆,岑松等.《ABAQUS 非線性有限元分析與實例》[M].北京：科學出版社,2005,215-217.

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