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閉孔泡沫鋁的動態(tài)壓剪性能研究
摘要：利用改進(jìn)的分離式Hopkinson 壓桿實(shí)驗(yàn)裝置，對孔隙率范圍為70%-92%的閉孔泡沫鋁材料進(jìn)行動態(tài)壓剪實(shí)驗(yàn)，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(shí)采用有限元軟件ABAQUS，對閉孔泡沫鋁的動態(tài)壓剪加載過程進(jìn)行數(shù)值模擬。研究表明，試件在壓剪聯(lián)合加載的過程中出現(xiàn)比較明顯的壓剪帶，材料在壓剪帶位置破壞最嚴(yán)重;低孔隙率的閉孔泡沫鋁應(yīng)變率效應(yīng)比較明顯，而高孔隙率的閉孔泡沫鋁基本沒有應(yīng)變率效應(yīng);隨著試件傾角的增加，閉孔泡沫鋁的屈服強(qiáng)度逐漸減小，而剪切應(yīng)力增大，同時(shí)，試件出現(xiàn)屈服的時(shí)間隨之縮短。
關(guān)鍵詞：閉孔泡沫鋁;Hopkinson 壓桿;壓剪;應(yīng)變率效應(yīng)
0 引言
閉孔泡沫鋁材料具有輕質(zhì)、高比剛度、高比強(qiáng)度和減震吸能等優(yōu)越性能[1]，廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車工業(yè)、電子信息等多個(gè)領(lǐng)域[2]。閉孔泡沫鋁材料在實(shí)際應(yīng)用中，常處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，例如泡沫鋁受到?jīng)_擊侵徹作用時(shí)，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(fù)合加載情況下的動態(tài)力學(xué)性能是十分必要的。本文采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究閉孔泡沫鋁的動態(tài)壓剪性能，對閉孔泡沫鋁在高應(yīng)變率下的壓剪實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行探索，并對泡沫鋁材料的應(yīng)變率敏感性作進(jìn)一步的分析。
1、閉孔泡沫鋁的動態(tài)壓剪實(shí)驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)方案
閉孔泡沫鋁動態(tài)壓剪實(shí)驗(yàn)是在西安交通大學(xué)強(qiáng)度與振動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的SHPB(SliptHopkinson Pressure Bar)實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行的，通過設(shè)計(jì)具有一定傾角的泡沫鋁試件達(dá)到動態(tài)壓剪的目的(如圖1-1 所示)。同時(shí)，為了進(jìn)行材料性能的比較，在MTS 材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了部分試件的準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)。其中，SHPB 裝置上壓桿的材料為硬質(zhì)鋁合金，實(shí)測密度2.78g/cm3，實(shí)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(tài)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(shí)間為44μs。實(shí)驗(yàn)所用的閉孔泡沫鋁由東南大學(xué)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和討論
本文對孔隙率為70%-92%的閉孔泡沫鋁進(jìn)行動態(tài)壓剪實(shí)驗(yàn)，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(tài)壓剪加載的過程中，出現(xiàn)一個(gè)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(shí)乃至坍塌，試件在壓剪帶位置破壞最嚴(yán)重。
為了研究閉孔泡沫鋁試件的應(yīng)變率敏感性，著重考慮試件在不同應(yīng)變率條件下的屈服強(qiáng)度，閉孔泡沫鋁的屈服強(qiáng)度由其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的第一個(gè)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(yīng)變率效應(yīng)最明顯，隨著應(yīng)變率的升高，其屈服強(qiáng)度最高比準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)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(yīng)變率效應(yīng)已經(jīng)變得很不明顯，孔隙率為88%的試件則沒有應(yīng)變率效應(yīng)。
2、閉孔泡沫鋁的動態(tài)壓剪數(shù)值模擬
2.1 數(shù)值建模簡介
本文在對閉孔泡沫鋁進(jìn)行動態(tài)壓剪實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用有限元軟件ABAQUS 模擬泡沫鋁的動態(tài)壓剪聯(lián)合加載過程。模型中的入射桿和透射桿使用線彈性硬質(zhì)鋁合金，其材料參數(shù)與實(shí)驗(yàn)中桿件的材料參數(shù)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(gòu)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(yàn)機(jī)對閉孔泡沫鋁(孔隙率為71%)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)所得到的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線[5]。本文進(jìn)行動態(tài)壓剪數(shù)值模擬的載荷是在入射桿端施加一個(gè)應(yīng)力脈沖[6]。
2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析和討論
利用有限元軟件ABAQUS 重點(diǎn)考察了試件在壓剪聯(lián)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(guī)律不同于0°傾角的試件，它們受到壓剪加載后發(fā)生破壞的起始點(diǎn)是從試件的鈍角處開始，并且試件在受到動態(tài)壓剪加載后破壞最嚴(yán)重的區(qū)域是兩個(gè)鈍角的連線形成的剪切帶。
為了研究泡沫鋁試件在動態(tài)壓剪過程中壓縮應(yīng)力和剪切應(yīng)力的變化規(guī)律，選取試件中的兩個(gè)典型結(jié)點(diǎn)作為研究對象(圖2-2)，其一為local 點(diǎn)，該處應(yīng)力集中最嚴(yán)重，試件在這個(gè)局部位置最先破壞;其二為middle 點(diǎn)，該點(diǎn)處于試件的中心位置，其應(yīng)力情況代表試件的整體應(yīng)力情況化曲線。從圖中可以看出，泡沫鋁試件受到動態(tài)壓剪加載后的應(yīng)力曲線有兩個(gè)特征點(diǎn)，分別是試件發(fā)生屈服開始點(diǎn)(Yield stress)和最大應(yīng)力點(diǎn)(Peak stress)，為了便于比較，用Y σ 表示壓縮應(yīng)力-時(shí)間曲線中試件開始屈服時(shí)的應(yīng)力，P σ 表示最大應(yīng)力， Y τ 表示剪切應(yīng)力-時(shí)間曲線中試件開始屈服時(shí)的應(yīng)力， P τ 表示最大應(yīng)力， Y t 表示試件開始屈服的時(shí)間。給出了不同傾角的泡沫鋁試件middle 點(diǎn)在應(yīng)變率分別為1000/s 和2000/s 時(shí)的壓縮應(yīng)力和剪切應(yīng)力。從圖中可以看出，泡沫鋁試件具有應(yīng)變率效應(yīng)。在相同應(yīng)變率條件下，泡沫鋁試件開始屈服時(shí)對應(yīng)的壓縮應(yīng)力值Y σ 都隨著角度的增加而減小，而試件的最大壓縮應(yīng)力值P σ 隨著角度的增加而增大，表明試件變形愈嚴(yán)重;泡沫鋁試件開始屈服時(shí)對應(yīng)的剪切應(yīng)力Y τ 隨著角度的增加而增大，最大剪切應(yīng)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(fā)生破壞。給出不同傾角的閉孔泡沫鋁試件(0°、5°、10°、15°、30°、45°)發(fā)生屈服時(shí)對應(yīng)的壓縮應(yīng)力和剪切應(yīng)力。從圖中可以明顯看出，閉孔泡沫鋁試件在開始屈服時(shí)的壓縮應(yīng)力隨著傾角的增加而減小，而試件的剪切應(yīng)力隨著傾角的增加而增大。試件local 點(diǎn)的屈服應(yīng)力隨著傾角的增加與middle 點(diǎn)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(diǎn)和middle 點(diǎn)開始屈服的時(shí)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(tài)壓剪加載過程中屈服越快，同時(shí)局部變形越嚴(yán)重。
3、結(jié)論
本文用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了閉孔泡沫鋁的動態(tài)壓剪力學(xué)性能。主要結(jié)論如下：
(1)具有傾角的泡沫鋁試件(5°、10°、15°)的變形規(guī)律不同于軸向壓縮(0°)的試件，它們受到壓剪加載后發(fā)生破壞的起始點(diǎn)是從試件的鈍角處開始，試件破壞最嚴(yán)重的區(qū)域是兩個(gè)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(shí)乃至坍塌。
(2)高孔隙率和低孔隙率閉孔泡沫鋁的應(yīng)變率敏感性不同，孔隙率為70%的試件應(yīng)變率效應(yīng)最為明顯，孔隙率為88%的試件基本沒有應(yīng)變率效應(yīng)。
(3)隨著傾角的增加，試件屈服強(qiáng)度逐漸減小，剪切應(yīng)力增大;傾角越大，試件發(fā)生破壞的時(shí)間越早，并且其變形越嚴(yán)重。
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[6] 莊茁,張帆,岑松等.《ABAQUS 非線性有限元分析與實(shí)例》[M].北京：科學(xué)出版社,2005,215-217.
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