閉孔泡沫Al-Cu填充鋁合金薄壁管的低速?zèng)_擊性能

張靨，王斯冉，馮曉琳，鄒田春，楊旭東

閉孔泡沫Al-Cu填充鋁合金薄壁管的低速?zèng)_擊性能

張靨a，王斯冉a，馮曉琳a，鄒田春b*，楊旭東a

（中國(guó)民航大學(xué) a.中歐航空工程師學(xué)院 b.安全科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300）

研究閉孔泡沫Al-Cu填充鋁合金薄壁管在低速?zèng)_擊載荷下的力學(xué)及吸能性能，探究泡沫Al-Cu與鋁合金薄壁管之間的交互作用。采用粉末冶金發(fā)泡法制備閉孔泡沫Al-Cu，并將其直接填充到鋁合金薄壁管中，獲得閉孔泡沫Al-Cu填充薄壁管（簡(jiǎn)稱(chēng)“填充管”）。采用萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)和沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)及吸能性能測(cè)試，采用VIC-3D系統(tǒng)和高速攝像機(jī)觀(guān)察試樣的宏觀(guān)變形行為，采用掃描電子顯微鏡（SEM）分析試樣的微觀(guān)斷口形貌。在不同沖擊能量下，泡沫Al-Cu具有較穩(wěn)定的吸能特性。在相同位移下，較大沖擊能量下的填充管能夠吸收更多能量。與薄壁管相比，受沖擊后填充管的形變較小且其沖擊曲線(xiàn)更加平穩(wěn)，表明泡沫Al-Cu芯材的填入能夠增強(qiáng)變形穩(wěn)定性及整體吸能能力。與泡沫Al-Cu相比，填充管受應(yīng)變率影響較小，可在較寬應(yīng)變率范圍內(nèi)穩(wěn)定吸能，較高應(yīng)變率下的沖擊會(huì)導(dǎo)致泡孔發(fā)生脆性斷裂。填充泡沫Al-Cu芯材能夠提高薄壁管受沖擊載荷時(shí)的變形穩(wěn)定性，兩者之間的相互作用使填充管結(jié)構(gòu)具有更好的吸能性能。

泡沫鋁填充管；閉孔泡沫Al-Cu；落錘沖擊；吸能特性；交互作用

近年來(lái)，隨著航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)材料力學(xué)性能及其經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求。泡沫鋁是內(nèi)部呈多孔結(jié)構(gòu)的金屬鋁材料，由鋁基骨架和孔洞復(fù)合形成，這種特殊的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其比強(qiáng)度、比剛度較高，具有吸能阻尼、隔熱阻燃、電磁屏蔽等性能，可被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸業(yè)等行業(yè)[1-5]。但泡沫鋁本身的彈性模量和強(qiáng)度較低，特別是當(dāng)孔隙率較高時(shí)，它在壓縮初期和平臺(tái)階段的抗壓能力不足，結(jié)構(gòu)的吸能能力較差，不適合單獨(dú)使用[6-7]。薄壁金屬管作為一種質(zhì)輕、屈服強(qiáng)度高的有效傳統(tǒng)吸能材料，被廣泛用于碰撞動(dòng)能耗散系統(tǒng)中。然而，在受軸向載荷時(shí)，其壓縮行為不穩(wěn)定；在受徑向載荷時(shí)，易發(fā)生局部壓入變形，承載能力較弱。這降低了薄壁管作為吸能結(jié)構(gòu)的可靠性[8-9]。

泡沫鋁填充薄壁管受到了研究者的極大關(guān)注，可以在結(jié)構(gòu)質(zhì)量增大量較小的情況下，大幅提高該結(jié)構(gòu)的抗壓抗變形能力和吸能能力，彌補(bǔ)了泡沫鋁承載能力較低和薄壁管變形模式不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。作為填充芯材，泡沫鋁除了能夠起到承載作用外，還可以減少填充管的局部屈曲，使其盡可能對(duì)稱(chēng)的倒塌變形。此外，泡沫鋁還可以通過(guò)自身的斷裂和其他破壞形式消耗能量，以提升整個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸能能力[10-13]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泡沫鋁填充管進(jìn)行了一定的研究。Asavavisithchai等[14]研究表明，泡沫鋁的填充改變了薄壁管的變形模式并提高了吸能能力。Duarte等[15-17]研究表明，在泡沫鋁外增加徑向約束明顯增強(qiáng)了材料的塑性應(yīng)變硬化，減小了密實(shí)化應(yīng)變，提高了材料的吸能能力。Huo等[18]通過(guò)創(chuàng)建全尺寸有限元模型模擬了泡沫芯夾芯板的低速?zèng)_擊響應(yīng)以及沖擊過(guò)程，并推導(dǎo)出基于能量的初始峰值負(fù)荷分析模型，從而預(yù)測(cè)了多層配置夾芯板的沖擊性能。Fang等[19]利用非線(xiàn)性有限元分析代碼LS-DYNA建立了數(shù)值模型，研究了功能梯度泡沫（FGF）填充受側(cè)向沖擊載荷時(shí)的薄壁結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了UF（均勻泡沫）和FGF填充梁的耐撞性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)。Djamaluddin等[20]采用ABAQUS研究了雙空管、泡沫填充空管和泡沫填充雙管3種不同的管，優(yōu)化了雙圓管在純軸向和傾斜沖擊載荷下的碰撞行為，結(jié)果表明，在軸向作用下，泡沫填充雙管的耐撞性?xún)?yōu)于其他泡沫填充管的，而泡沫填充空管是斜載荷下結(jié)構(gòu)的最佳選擇。

目前關(guān)于泡沫鋁填充管的大部分研究集中在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和有限元模擬方面，而對(duì)其沖擊響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究較少。但在實(shí)際工況中，填充管往往經(jīng)受沖擊載荷而非靜態(tài)載荷[21-23]，因此，對(duì)其在動(dòng)態(tài)載荷下的沖擊力學(xué)響應(yīng)以及應(yīng)變率效應(yīng)開(kāi)展研究尤為必要。本文通過(guò)粉末冶金發(fā)泡法制備閉孔泡沫Al-2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Cu合金（簡(jiǎn)稱(chēng)為泡沫Al-Cu），進(jìn)而將其直接填充入鋁合金薄壁管中，獲得閉孔泡沫Al-Cu填充鋁合金薄壁管結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱(chēng)為填充管），采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)研究其準(zhǔn)靜態(tài)壓縮響應(yīng)和低速?zèng)_擊響應(yīng)，探究沖擊能量對(duì)其吸能性能的影響，并分析其應(yīng)變率效應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用原材料的Al粉粒徑為200目，密度為2.70 g/cm3，Cu粉粒徑為400目，Mg粉粒徑為200目，使用氫化鈦（TiH2）作為發(fā)泡劑，粒徑為25目?；谡n題組的前期工作[24]，采用粉末冶金發(fā)泡法制備泡沫Al-Cu，并將其切割成直徑為23 mm、高度為25 mm的圓柱體，進(jìn)而采用物理直接填充的方式將其填入熱處理狀態(tài)為T(mén)6態(tài)的6061鋁合金薄壁管中，制備得到填充管。鋁合金管購(gòu)買(mǎi)自深圳市中恒鋼鐵有限公司，內(nèi)徑為24 mm，高度為25 mm，壁厚為1 mm。

1.2 結(jié)構(gòu)表征及力學(xué)性能測(cè)試

采用Istron-5982型萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測(cè)試，設(shè)備最大載荷為100 kN，通過(guò)軟件Bluehill控制測(cè)試過(guò)程，壓縮速率為1.2 mm/min。采用VIC-3D系統(tǒng)對(duì)試樣的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過(guò)程進(jìn)行拍攝，記錄其變形行為，設(shè)置拍攝速度為2 s/張。采用Instron CEAST-9350沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，采用Visual IMPACT軟件設(shè)置測(cè)試方法。在沖擊過(guò)程中采用高速攝像機(jī)拍攝沖擊過(guò)程，拍攝頻率為60 MHz。采用S4800型掃描電子顯微鏡觀(guān)察試樣的微觀(guān)形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能

泡沫Al-Cu在室溫下準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)和壓縮變形過(guò)程如圖1所示。其壓縮過(guò)程包括3個(gè)階段：線(xiàn)彈性階段（I）、平臺(tái)階段（Ⅱ）和密實(shí)化階段（Ⅲ）。在應(yīng)變達(dá)到3%前，泡沫Al-Cu所受應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而呈線(xiàn)性上升，定義曲線(xiàn)第一應(yīng)力峰值為屈服強(qiáng)度，在該階段，泡孔主要發(fā)生彈性變形，孔壁無(wú)斷裂現(xiàn)象。隨后泡沫Al-Cu進(jìn)入平臺(tái)階段，應(yīng)力提升速率減緩，部分泡孔發(fā)生坍塌，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到7%時(shí)已形成變形帶。隨著應(yīng)變的進(jìn)一步增大，應(yīng)力緩慢增大，維持在一定水平，此時(shí)泡沫Al-Cu仍處于平臺(tái)階段，在此階段泡沫Al-Cu通過(guò)泡孔的逐漸坍塌而吸能。當(dāng)應(yīng)變達(dá)到45.12%時(shí)，泡沫材料進(jìn)入密實(shí)化階段，隨著應(yīng)變的增大，孔壁相互接觸，泡沫結(jié)構(gòu)逐漸被壓實(shí)，應(yīng)力迅速上升。

填充管準(zhǔn)靜態(tài)壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)和壓縮變形過(guò)程如圖2所示。在變形過(guò)程中填充管形成了2個(gè)褶皺，分別對(duì)應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)中的2個(gè)明顯波動(dòng)。其壓縮曲線(xiàn)可以分為5個(gè)階段：初始線(xiàn)彈性階段（A），應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而線(xiàn)性增大，薄壁管和泡沫芯材均為彈性變形；應(yīng)力非線(xiàn)性增大直至達(dá)到屈服（B），可以看到，此時(shí)在填充管上開(kāi)始形成第一個(gè)褶皺；最大應(yīng)力降階段（C），達(dá)到屈服應(yīng)力后，應(yīng)力迅速下降，此時(shí)在填充管上正式形成第一個(gè)褶皺；應(yīng)力波動(dòng)階段（D），試樣繼續(xù)被壓縮，褶皺的上下管壁相互接觸，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到第二個(gè)峰值時(shí)在填充管上開(kāi)始出現(xiàn)第二個(gè)褶皺；密實(shí)化階段（E），應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而迅速增大，泡沫芯材逐漸被壓實(shí)，薄壁管形成2個(gè)完整的褶皺。

填充管在室溫壓縮下的交互作用如圖3所示。由應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)可以看出，用泡沫Al-Cu對(duì)薄壁管進(jìn)行填充可以減小薄壁管在壓縮過(guò)程中曲線(xiàn)的波動(dòng)，提高變形穩(wěn)定性。泡沫Al-Cu的屈服應(yīng)力與泡沫Al-Cu和薄壁管曲線(xiàn)之和的屈服應(yīng)力基本相同，平臺(tái)應(yīng)力略低，但到達(dá)密實(shí)化應(yīng)變時(shí)的吸能量比“泡沫Al-Cu+管” 的高18.37%，這是因?yàn)榕菽静耐獾谋”诠芴岣吡藦?fù)合結(jié)構(gòu)的密實(shí)化應(yīng)變，從而出現(xiàn)更長(zhǎng)的吸能區(qū)間，具有更好的吸能能力。

圖1 泡沫Al-Cu的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)（a）和變形過(guò)程（b）

圖2 填充管在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)（a）和變形過(guò)程（b）

圖3 泡沫Al-Cu、薄壁管和填充管在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)（a）和吸能曲線(xiàn)（b）

2.2 試樣的落錘沖擊響應(yīng)

2.2.1 泡沫Al-Cu

采用不同沖擊能量對(duì)泡沫Al-Cu和填充管進(jìn)行了落錘沖擊測(cè)試。通過(guò)落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)內(nèi)的傳感器可以得到瞬時(shí)沖擊載荷，其計(jì)算如式（1）所示。

式中：為落錘整體及外加質(zhì)量塊的質(zhì)量之和；為重力加速度；()、()分別為時(shí)刻的瞬時(shí)沖擊載荷和傳感器記錄的瞬時(shí)加速度。將式（1）積分可以得到式（2）和式（3），即得到瞬時(shí)速度()和位移()。

式中：(0)、(0)為沖擊錘的初始速度及初始位移。沖擊過(guò)程中的總沖擊能的計(jì)算如式（4）所示。

由式（1）～（4）計(jì)算得到：當(dāng)沖擊能為50、100、150 J時(shí)，對(duì)應(yīng)的速度分別為2.38、3.36、4.12 m/s。

泡沫Al-Cu在不同沖擊能量下的載荷-位移曲線(xiàn)和吸能曲線(xiàn)如圖4所示，沖擊過(guò)程中的力學(xué)參數(shù)如表1所示。觀(guān)察圖4a可以看到，載荷-位移曲線(xiàn)主要分為2個(gè)階段：1）線(xiàn)彈性階段，此時(shí)與位移相比，載荷迅速增大，試樣主要發(fā)生彈性變形，定義臨界峰值載荷為沖擊過(guò)程中初始階段對(duì)應(yīng)的第一峰值載荷；2）漸進(jìn)壓潰階段，此時(shí)曲線(xiàn)波動(dòng)較為劇烈，泡孔被迅速壓潰進(jìn)而發(fā)生塑性變形，該階段是主要的吸能階段。隨著沖擊能量的增大，試樣的沖擊臨界峰值載荷和最大位移均增大，50、100和150 J能量沖擊下的臨界峰值載荷分別為7.278、9.765和10.931 kN。當(dāng)沖擊能量由100 J增大到150 J時(shí)，泡沫Al-Cu的臨界峰值載荷增大幅度較小，這是因?yàn)楫?dāng)沖擊能量為100 J時(shí)，臨界峰值載荷已經(jīng)達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度。最大臨界峰值載荷出現(xiàn)在沖擊能量為150 J時(shí)，此時(shí)的沖后變形量為41.5%，這說(shuō)明150 J的沖擊能量能被泡沫Al-Cu完全吸收。雖然當(dāng)沖擊能量為150 J時(shí)載荷-位移曲線(xiàn)波動(dòng)幅度較大，但載荷水平基本一致。為表征和比較試樣的吸能能力，本文定義吸能曲線(xiàn)的斜率為試樣的吸能速率。由圖4b可知，隨著沖擊能量的增大，吸能曲線(xiàn)更長(zhǎng)，吸能更多，但不同沖擊能量下泡沫Al-Cu的吸能速率幾乎相同，泡沫Al-Cu具有較為穩(wěn)定的吸能能力。

圖4 不同沖擊能量下泡沫Al-Cu的載荷-位移曲線(xiàn)（a）和吸能曲線(xiàn)（b）

表1 不同沖擊能量下泡沫Al-Cu的力學(xué)參數(shù)對(duì)比

2.2.2 薄壁管

薄壁管在不同沖擊能量下的載荷-位移曲線(xiàn)和吸能曲線(xiàn)如圖5所示，沖擊力學(xué)參數(shù)如表2所示?？梢?jiàn)，在3種沖擊能量下，薄壁管的峰值載荷均高于泡沫Al-Cu的，說(shuō)明它面對(duì)沖擊載荷時(shí)可以在第一時(shí)間吸收更多的能量，但其曲線(xiàn)在漸進(jìn)壓潰階段發(fā)生了明顯的上下波動(dòng)，載荷并不能維持在一定的水平，這明顯區(qū)別于泡沫Al-Cu，說(shuō)明雖然薄壁管是一種具有潛力的吸能結(jié)構(gòu)，但其吸能過(guò)程較不穩(wěn)定。

2.2.3 填充管

不同沖擊能量下填充管的載荷-位移曲線(xiàn)和吸能曲線(xiàn)如圖6所示，沖擊過(guò)程中的力學(xué)參數(shù)如表3所示。隨著沖擊能量的增大，填充管結(jié)構(gòu)的臨界峰值載荷呈上升趨勢(shì)，在較高沖擊能量下承受的沖擊載荷較大，載荷-位移曲線(xiàn)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，曲線(xiàn)有明顯的波動(dòng)。此外，由吸能曲線(xiàn)可以看出，填充管結(jié)構(gòu)會(huì)在更大的沖擊能量下具有更高的吸能速率，即在相同位移下，較大沖擊能量下的填充管能夠吸收更多能量。

圖5 不同沖擊能量下薄壁管的載荷-位移曲線(xiàn)（a）和吸能曲線(xiàn)（b）

表2 不同沖擊能量下薄壁管的力學(xué)參數(shù)對(duì)比

圖6 不同沖擊能量下填充管的載荷-位移曲線(xiàn)（a）和吸能曲線(xiàn)（b）

表3 不同沖擊能量下填充管的力學(xué)參數(shù)對(duì)比

在150 J沖擊能量下泡沫Al-Cu、薄壁管和填充管的載荷-位移曲線(xiàn)和吸能曲線(xiàn)如圖7所示?？梢钥吹?，與泡沫Al-Cu與薄壁管沖擊曲線(xiàn)數(shù)值之和相比，填充管結(jié)構(gòu)具有更小的臨界峰值載荷，該值略高于薄壁管的臨界峰值載荷，且最大載荷降幅小于薄壁管的（填充管最大載荷降幅為14.85 kN，薄壁管最大載荷降幅為20.11 kN），載荷-位移曲線(xiàn)相較于薄壁管的也更加平穩(wěn)，最大位移更小，表明泡沫Al-Cu能在提高薄壁管吸能能力的同時(shí)使其承載過(guò)程更加穩(wěn)定，有利于其作為緩沖結(jié)構(gòu)吸收能量。這是因?yàn)樵跊_擊載荷下，泡沫Al-Cu與薄壁管之間產(chǎn)生了相互作用[25]，泡沫芯材抑制了薄壁管向內(nèi)折疊，薄壁管限制了泡沫Al-Cu向外膨脹，它們共同承擔(dān)載荷，填充管結(jié)構(gòu)中的泡沫芯材在沖擊后受損較?。ㄒ?jiàn)圖8），僅有上層泡孔坍塌。在薄壁管中填充泡沫Al-Cu可以使結(jié)構(gòu)在不改變總質(zhì)量的前提下，具有更大的吸能與緩沖能力。

泡沫Al-Cu、薄壁管及填充管在150 J沖擊能量下的宏觀(guān)變形過(guò)程如圖9所示?？梢?jiàn)，在載荷達(dá)到屈服強(qiáng)度后，泡沫Al-Cu出現(xiàn)了泡孔坍塌的現(xiàn)象，在應(yīng)變?yōu)?4%時(shí)，已經(jīng)可以觀(guān)察到明顯的貫穿式變形帶，之后隨著沖擊的進(jìn)行，泡沫Al-Cu逐層坍塌；在應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，薄壁管在管壁上方有輕微鼓出，下端管壁向內(nèi)、外折疊，開(kāi)始形成褶皺，當(dāng)沖擊過(guò)程結(jié)束時(shí)，下端已經(jīng)形成完整的較薄褶皺，并有繼續(xù)形成第二個(gè)、第三個(gè)褶皺的趨勢(shì)。在沖擊載荷下，填充管具有與薄壁管相似的變形過(guò)程，但可以明顯看到管壁幾乎不向內(nèi)折疊，沖擊后具有形成第二個(gè)褶皺的趨勢(shì)，且在同樣的沖擊能量下，填充管的軸向形變量明顯小于薄壁管和泡沫Al-Cu的，未達(dá)到填充管的屈服極限，這說(shuō)明在薄壁管內(nèi)填充泡沫能夠顯著提升其抗沖擊能力。填充管能夠吸收更多能量，可以作為穩(wěn)定、可靠的沖擊吸能件使用。

2.3 試樣的應(yīng)變率效應(yīng)

為了對(duì)比分析試樣的應(yīng)變率效應(yīng)，使用式（4）和式（5）將載荷（）-位移（）曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力（）-應(yīng)變（）曲線(xiàn)[26]。

圖7 泡沫Al-Cu、薄壁管和填充管在150 J能量沖擊下的載荷-位移曲線(xiàn)（a）和吸能曲線(xiàn)（b）

圖8 150 J沖擊能量下泡沫Al-Cu（a）、薄壁管（b）和填充管（c）的縱截面

圖9 150 J沖擊能量下泡沫Al-Cu、薄壁管和填充管的變形過(guò)程

式中：為試樣有效橫截面積；0為試樣初始高度。泡沫Al-Cu和填充管的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮曲線(xiàn)與沖擊曲線(xiàn)如圖10所示?？梢?jiàn)，泡沫Al-Cu和填充管在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮與沖擊壓縮下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)具有相似的變化趨勢(shì)，但在沖擊載荷下，2種試樣都承載更高的載荷、具有更高的吸能速率。泡沫Al-Cu和填充管均體現(xiàn)出一定的應(yīng)變率敏感性，填充管受應(yīng)變率影響較小。

不同應(yīng)變率下形成的斷口微觀(guān)形貌如圖11所示?？梢钥闯?，經(jīng)低應(yīng)變率（1.3×10?3s?1）準(zhǔn)靜態(tài)壓縮后，斷口中大多為韌窩和滑移帶，均為韌性斷裂特征，而較高應(yīng)變率（1.6×102s?1）的沖擊載荷會(huì)促進(jìn)試樣發(fā)生脆性斷裂，在其沖擊斷口中出現(xiàn)了明顯的解理臺(tái)階，說(shuō)明隨著應(yīng)變率的增大，試樣的斷裂方式由韌性向脆性轉(zhuǎn)變。

圖10 不同應(yīng)變率下Al-Cu泡沫的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)（a）、Al-Cu泡沫的吸能曲線(xiàn)（b）、填充管的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)（c）和填充管的吸能曲線(xiàn)（d）

圖11 不同應(yīng)變率壓縮測(cè)試后泡沫Al-Cu的斷口微觀(guān)形貌

3 結(jié)論

將采用粉末冶金發(fā)泡法制備的泡沫Al-Cu直接填充入鋁合金薄壁管中得到填充管，探究了它在不同沖擊能量下的落錘沖擊響應(yīng)，分析了它在沖擊載荷下的交互作用，并結(jié)合準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)研究其應(yīng)變率效應(yīng)，得到結(jié)論如下：

1）填充泡沫Al-Cu芯材能夠提高薄壁管的變形穩(wěn)定性，兩者之間的相互作用使填充管結(jié)構(gòu)具有更好的吸能性能和更穩(wěn)定的變形過(guò)程。

2）不同沖擊能量下泡沫Al-Cu的吸能速率幾乎相同，都具有較穩(wěn)定的吸能能力；而填充管結(jié)構(gòu)在更大的沖擊能量下具有更大的吸能速率，即在相同位移下，較大沖擊能量下的填充管吸收的能量更多。

3）與泡沫Al-Cu+管相比，填充管具有更小的臨界峰值載荷，與薄壁管相比，填充管具有更小的最大載荷降幅和更平穩(wěn)的曲線(xiàn)，說(shuō)明泡沫Al-Cu的填充能在提高薄壁管吸能能力的同時(shí)使其承載過(guò)程更加穩(wěn)定。

4）泡沫Al-Cu比填充管具有更加明顯的應(yīng)變率敏感性，填充管受應(yīng)變率影響較小，可在不同應(yīng)變率下穩(wěn)定吸能，但較高應(yīng)變率的載荷會(huì)促使泡孔發(fā)生脆性斷裂。

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Low-speed Impact Performance of Closed-cell Al-Cu Foams Filled Thin-walled Aluminum Alloy Tubes

ZHANG Yea, WANG Si-rana, FENG Xiao-lina, ZOU Tian-chunb*, YANG Xu-donga

(a. Sino-European Institute of Aviation Engineering, b. School of Safety Science and Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

The work aims to study the mechanical and energy-absorbing properties of closed-cell Al-Cu foams filled thin-walled aluminum alloy tubes under low-speed impact load, and to investigate the interaction between Al-Cu foams and aluminum alloy thin-walled tubes. The closed-cell Al-Cu foams were prepared by powder metallurgical foaming method and filled directly into the thin-walled aluminum alloy tube to obtain the closed-cell Al-Cu foams filled thin-walled tube (referred to as “foam-filled tube”). Electronic universal testing machine and impact testing machine were used to test the mechanical and energy-absorbing properties of the specimens, and the macroscopic deformation behavior of the specimens were observed by VIC-3D system and high-speed camera, and the microscopic fracture morphology of the specimens were analyzed by scanning electron microscope (SEM). The Al-Cu foams had a more stable energy-absorbing properties under different impact energies, but the foam-filled tube absorbed more energy under the same displacement with larger impact energy. Compared with the thin-walled tube, the foam-filled tube had less deformation and had a smoother impact curve after impact, indicating that the filling of the Al-Cu foams increased the stability of deformation and the overall energy-absorbing properties. Compared with Al-Cu foams, the structure of foam-filled tube was less affected by strain rate and could absorb energy stably over a relatively wide range of strain rates and higher strain rate impact could lead to brittle rupture of the cells. The filling of the Al-Cu foams core improves the deformation stability of the thin-walled tube under impact load, and the interaction between the two makes the foam-filled tube structure have better energy-absorbing properties.

aluminum foam-filled tubes; closed-cell Al-Cu foams; drop weight impact; energy-absorbing properties; interaction

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.11.014

TG146.21

A

1674-6457(2023)11-0123-09

2023-07-04

2023-07-04

國(guó)家自然科學(xué)基金（51971242）

The National Natural Science Foundation of China (51971242)

張靨, 王斯冉, 馮曉琳, 等. 閉孔泡沫Al-Cu填充鋁合金薄壁管的低速?zèng)_擊性能[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 123-131.

ZHANG Ye, WANG Si-ran, FENG Xiao-lin, et al. Low-speed Impact Performance of Closed-cell Al-Cu Foams Filled Thin-walled Aluminum Alloy Tubes[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 123-131.

通信作者（Corresponding author）

責(zé)任編輯：蔣紅晨