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摘 要

泡沫填充的铝-钢复合管是典型缓冲吸能结构的一种，它的力学性能与吸能特性都比较好，在各种各样的能量碰撞耗散的系统中都有广泛的应用，例如：汽车、交通轨道等等领域。因此，对泡沫填充的铝-钢复合管的弯曲性能研究是很有必要的。本文采用有限元数值模拟的方法，建立泡沫填充铝-钢复合管的数值模型，通过改变铝-钢复合管的直径和壁厚，研究不同直径和壁厚下的弯曲性能，同时改变压头的直径，研究不同压头直径下泡沫填充铝-钢复合管的弯曲性能，得到以下几方面的研究结论：

（1）未填充泡沫的复合管在同样的壁厚下，所能承受的载荷较小，在上压头处产生扁平化弯曲，泡沫对复合管的强化作用显著。

（2）当壁厚越小时，整个复合管的弯曲变形就越明显，上压头处的应力越大，随着壁厚的增加，整个复合管的稳定性也更好，承载能力也有显著的提升。

（3）不同的压头直径下，压头与泡沫填充铝-钢复合管外表面的接触方式并没有较大的区别。数值模拟仿真结果随着压头直径的增大，未出现非常明显的变化。

（4）复合管的直径越大，同样的位移下，所能承受的载荷越大。

关键词：泡沫填充;铝-钢复合管；三点弯曲;有限元分析

ABSTRACT

The foam filled aluminum steel composite pipe is one of the typical cushioning energy absorbing structures. Its mechanical and energy absorbing properties are all good. It is widely used in various energy dissipation systems, such as automobiles, traffic tracks and so on. Therefore, it is necessary to study the flexural properties of foam filled aluminum steel composite pipes. In this paper, a numerical model of foam filled aluminum steel composite pipe is established by means of finite element numerical simulation. By changing the diameter and wall thickness of the aluminum steel composite pipe, the flexural properties under different diameters and wall thickness are studied. Meanwhile, the diameter of the indenter is changed, and the flexural properties of the foam filled aluminum steel composite pipe under different head diameter are studied. The following conclusions are drawn:

(1) under the same wall thickness, the composite pipe without foams can bear a smaller load, flattening and bending at the upper pressure head, and the foam has a significant strengthening effect on the composite pipe.

(2) When the wall thickness is smaller, the bending deformation of the whole composite pipe is more obvious, and the stress at the upper head is larger. With the increase of the wall thickness, the stability of the whole composite pipe is better, and the bearing capacity is also significantly improved.

(3) under different head diameter, there is no big difference between the contact surface between the indenter and the foam filled aluminum steel composite pipe. With the increase of the diameter of the indenter, the numerical simulation results show no obvious change.

(4) The larger the diameter of the composite pipe, the larger the load it can bear under the same displacement.

Key word: Foam filling ;Three point bending; Finite element

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪 论 1

1.1课题研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.3结构破坏机制 2

1.4本文主要研究内容 5

第二章 泡沫填充铝-钢复合管的仿真建模 6

2.2有限元方法原理 6

2.2有限元分析思路 6

2.3有限元模型的建立 7

2.4材料的选择及参数设置 8

2.5分析步设置 10

2.6接触和相互作用 10

2.7载荷和约束 10

2.8网格划分 10

2.9分析作业的创建和管理 11

2.10可视化结果 11

第三章 泡沫填充铝-钢复合管的弯曲性能的影响因素 12

3.1未填充泡沫的铝-钢复合管的弯曲性能 12

3.2壁厚对泡沫填充铝-钢复合管弯曲性能的影响 14

3.3压头直径对泡沫填充铝-钢复合管的弯曲性能的影响 17

3.4直径对泡沫填充铝-钢复合管的弯曲性能的影响 20

3.5本章小结 22

第四章 总结 24

第五章 经济性分析 25

参考文献 26

致谢 29

第一章 绪 论

1.1课题研究背景

在航空航天、汽车结构等领域中，由轻质、延性材料制成的细长梁和梁柱作为重要的结构单元发挥着重要作用^[1]。这些结构通常要遵守设计规范。对于钢和铝结构系统失效载荷由不同结构部件实现一定的承载能力通常只有在相对较大的变形、旋转时才能实现。同样，汽车工业也比以往任何时候都更重视耐撞性。这里，预测从撞击到永久变形的整个结构行为车辆在乘员安全方面起着重要作用。在大变形和大转动情况下保持预期结构承载能力的能力是一项基本的必要条件可接受的耐撞性能。为了使这些机制有效，梁的横截面必须显示一定的最小值局部横截面稳定性。这导致了“转动能力”的概念重要研究课题以及关键设计参数。鉴于塑性局部弯曲是常见土木工程结构的一种典型破坏机理，汽车工业也必须考虑轴向挤压和扭转的影响作为碰撞事件中重要的能量吸收成分的结构部件^[2]。尤其是在汽车工业，寻求减轻体重作为减少二氧化碳的手段排放导致了新型轻质材料在结构系统中的应用，低速撞击的轴向能量吸收机制已在车辆的前端和后端通常使用“防撞箱”，通常是一个短的箱体元件通过轴向折叠吸收能量。高强度钢制点焊盒铝挤压已在这里应用。大量的研究，都是分析性的并进行了试验，以获得这些材料的简单设计公式组件^[3]。而碰撞箱元件吸收了车辆在低速碰撞中，为了吸收高速碰撞的能量。当保险箱的容量达到充分利用后，变形会转移到前纵梁，然后转移到车辆结构的其余部分。在此阶段，各种结构部件的弯曲可以控制大量的能量吸收。

1.2国内外研究现状

在过去对泡沫填充空心截面的研究中，这些问题大多与轴向吸能元件有关。早期的工作主要涉及聚氨酯泡沫填料^[4]，而近期工作已将注意力转向泡沫铝填充材料。简而言之泡沫具有低密度（0.1g/cma及以上）、高强度重量比、良好的耐火性和良好的吸声与隔音性能。最近开发了两种新的成本效益高的制造技术^[5]，通过粉末冶金路线与连铸工艺的对比，两者都预示着泡沫铝结构应用的复兴。Yin H等人^[6]调查泡沫方钢管轴向破碎的仿真与数值模拟有限元法。同时，Kılıçaslan C等人^[7]进行泡沫试验填充铝型材。根据这些仿真，郭刘伟等人^[8]和Tanlak N等人^[9]验证有限元代码。Zheng G等人^[10]开发的设计公式与这些项目相关，并能够证明显著的重量节省可以通过减少横截面尺寸和泡沫铝的使用来实现。然而，泡沫填充的轴向构件的性能在仿真上已被完全记录在案，对泡沫铝填充梁弯曲的唯一研究似乎是由冯飞的数值工作给出。他们根据重量得出结论，考虑到泡沫填料具有足够的强度重量比，使用泡沫填料可以节省成本。然而，没有仿真数据可以证实这些结果。

S. Santosa等人^[11]做了复合管的薄壁梁的弯曲实验，得到泡沫填充梁的试验和数值模拟结果，泡沫填充梁的抗弯承载力显著提高。最重要的结果总结如下 是泡沫填料的存在改变了薄壁梁的破碎方式，由一个局部褶皱转变为多个扩展褶皱。这种改进的机制可以防止由于形成更多的塑性铰线而导致的承载能力下降，从而产生有限的截面挤压，因此可以耗散更多的弯曲能量。此外，在弯曲和压缩联合加载的情况下，泡沫填充可以避免整体破坏，从而仍然可以实现渐进破碎，能量吸收机制是有效的。部分泡沫填充可显著降低泡沫重量，同时保持较高的抗压性。提出了有效泡沫长度Lf，可作为部分泡沫填充梁的设计准则。对于部分填充泡沫的梁，应进行更多的试验。泡沫填充型材在汽车结构中的潜在应用。泡沫填充段可用于前纵梁和防火墙结构，以吸收正面碰撞时的冲击能量。在发生侧面碰撞的情况下，可以使用泡沫填充部分来加强B柱结构，以避免严重侵入乘客舱。此外，泡沫填充部分也可用于A柱和车顶框架结构，以防止在翻车事故中发生严重的车顶挤压。

1.3结构破坏机制

在准静态三点弯曲下，新式泡沫铝夹芯双圆钢管结构在结构下方产生伸拉破裂，而芯层泡沫铝展现出有别于传统的泡沫铝夹芯管结构的双裂痕损坏模式，双裂痕的具体位置基本上对称于结构的中心。从仿真观察可知，芯部泡沫铝的开裂早于并导致了外管壁的伸拉破裂。所以，在计算中探讨了芯模泡沫铝的形变性能。芯泡沫铝的形变计算如下图1-1所示。该图为沿中心母线切割的泡沫铝，深入分析了泡沫铝沿结构尺寸方向的应力分布。

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