泡沫金属填充薄壁金属方筒在冲击载荷作用下的数值模拟

摘要

铝泡沫填充薄壁金属筒的复合填充结构广泛地应用于在减轻构件质量的前提下提高构件的抗冲击性能和能量吸收能力。本文采用有限元显式动力分析程序Ls．DYNA来研究铝泡沫填充薄壁金属筒的复合结构在轴向冲．
　　 击载荷作用下的变形和能量吸收特性。模拟从模型的长宽比、外层金属筒的宽厚比和填充用的泡沫金属的密度三个方面进行，并模拟了复合填充筒保险杠受冲击后的响应。选择LS-DYNA材料库中24号piccewise linearplastic hardening(分段线性塑性硬化)模型和63号Crushable foam material(冲击泡沫)材料模型分别模拟铝金属筒和泡沫铝两种材料；用壳163单元和固体164单元分别对薄壁金属筒和泡沫金属进行网格划分；并在模拟时引入了trigger机制，它能使构件受冲击后的变形更加的平稳，但不会改变结构总的变形吸收能。考虑到模型的对称性，建立了1/4模型，并添加了相应的对称约束、接触和边界条件，减少了模拟的时间，增加了模拟的准确性。
　　 与单独的薄壁金属筒或铝泡沫金属相比，二者组成的复合结构能够在减轻重量的前提下提高整体构件的刚度，缩短由冲击引起的褶皱长度，增加构件的比吸收能，所以能有效的将峰值应力控制在破坏应力以下。
　　 模拟实验的结果与实验结果吻合，证实了试验方法的准确性。模拟结果显示了：
　　 (1)将泡沫金属填充进薄壁金属筒构成填充件，与单独使用泡沫金属或者薄壁金属筒相比，可以大幅度的减小米赛斯平均应力的大小，增加撞击时吸收的能量。
　　 (2)试件长度越长，填充泡沫金属的密度越小，薄壁金属筒的厚度越薄，在冲压时形成的褶皱越多，褶皱的规则性越好，外层薄壁金属筒被破坏的程度越小。填充不同密度分布的模型受压后产生的褶皱的个数较单独填充低密度泡沫金属时少，但比单独填充高密度泡沫金属时多。
　　 (3)外侧薄壁金属筒的厚度越大，撞击后填充件的米赛斯平均应力越大；内部充填的泡沫金属的密度的大小，填充不同密度分布的泡沫金属和模型的长径比对整体构件的平均应力影响不大。
　　 (4)增大外侧薄壁金属简的厚度，增大填充的泡沫金属的密度都可以增加构件撞击后吸收的能量；填充件的长径比对构件撞击后吸收能量的多少影响不大。采用不同密度的泡沫金属分层填充的构件，在加载时间相同的条件下，构件吸收的能量几乎相同，并且所吸收的能量值介于用130kg/m3和250kg/m3泡沫金属单独填充时所吸收的能量之间。
　　 (5)用复合填充结构代替空金属筒做保险杠的吸能构件作用明显，既可以减小保险杠的变形量，又可以增大撞击时能量的吸收量。

目录

第一章 文献综述

第二章 轴向冲击下的泡沫金属填充方筒的数值模拟

第三章 轴向动态响应分析

第四章 冲击载荷作用下的缓冲构件的数值模拟

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

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