泡沫铝芯体夹层板的冲击力学性能研究

Abstract: Under different strain rate, research is taken on the dynamic compressing stress of sandwich beams
with aluminum foam core including strain responding attribute, energy absorbing characteristic and strain rate
第 20 卷 第 1 期 2007 年 3 月
宁 波 大 学 学 报（ 理 工 版 ） JOURNAL OF NINGBO UNIVERSITY ( NSEE )
文章编号:1001-5132（2007）01-0118-04
Vol.20 No.1 Mar. 2007
泡沫铝芯体夹层板的冲击力学性能研究
谌河水，赵恒义，张明华
[3] Vaidya U K, Pillay S, Ulven C A, et al. Impact and
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图 3 应变率为 520 s-1时各试样的应力－应变曲线
Байду номын сангаас
图 1 应变片采集到的原始电压信号
图 2 为泡沫铝芯体夹层板在应变率为 520 s-1时 应力时程曲线. 从图 2 中可以看出，泡沫铝芯体夹 层板的应力在冲击下存在弹性区、屈服区和致密 区.
图 4 应变率 1 560 s-1时各试样的应力－应变曲线
中图分类号：O343.4
文献标识码：A
泡沫铝是种包含大量孔洞的铝基轻质多孔材 料，孔隙率一般为 40%～90%. 泡沫铝具有密度小、 吸能缓冲能力强、消声性能好等特点，但在实际应 用中相对致密板材而言，泡沫铝模量较低，表面粗 糙，不能单独作为结构材料使用，因而其应用受到 了限制. 将泡沫铝和其他板材结合起来组成复合 材料使用，即以泡沫铝作为芯体组成的夹层板，将 发挥泡沫铝和板材优点，为泡沫铝的发展提供了广 阔的应用前景.
从图 8 中可以看出，在相同应力作用下，泡沫 铝材料的吸能效率比另外 3 种试样的吸能效率高， 在应力为 100 MPa 时，泡沫铝达到最佳吸能效果.
图 6 应变率为 520 s-1各试样的吸能量曲线
图 7 应变率为 1 560 s-1时各试样吸能曲线
J. Miltz提出了吸能效率(Efficiency)和理想吸 能效率(Ideality)曲线[8]，分别定义为：
图 2 泡沫铝芯体夹层板的应力时程
2.1 泡沫夹层板应力－应变曲线 图 3 和图 4 分别是应变率为 520 s-1和 1 560 s-1
时的泡沫铝试样、单面粘贴铝板时的泡沫铝试样和 泡沫铝芯体夹层板的应力－应变曲线.
从图 3 和图 4 可知，在相同应变率下，4 种试 样在弹性区具有不同的斜率，以泡沫铝夹层板最 大，且弹性屈服强度也是泡沫铝夹层板最大，单纯 的泡沫铝最小，但是差别不大，主要是铝板很薄， 在冲击作用下变形很小.
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谌河水，等：泡沫铝芯体夹层板的冲击力学性能研究
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铝、单面粘贴铝板的泡沫铝和泡沫铝芯体夹层板进 行了试验研究. 图 1 是泡沫铝芯体夹层板 SHPB 实 验的典型原始波形图，从图 1 中可看出，入射脉冲 经过泡沫铝芯体夹层材料后传递到输出杆的脉冲 有很大程度的衰减，这正是由于泡沫铝粘弹性的本 构特性所引起的.
图 9 泡沫铝芯体夹层板的屈服强度值
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3 结论
泡沫铝芯体夹层板在冲击载荷下的应力－应 变曲线同样具有泡沫材料所具有的“三阶段”特性， 即弹性区、屈服区、和致密区. 在相同的应变率作 用下，泡沫铝芯体夹层板比泡沫铝具有更高的屈服 强度和更好的缓冲吸能性能. 在不同的应变率下 泡沫铝芯体夹层板表现出很强的应变率相关性，流 动应力随应变率增加而增加.
2 试验结果与分析
为了更好掌握夹层板冲击性能，分别对泡沫
收稿日期：2006-12-25.
宁波大学学报（理工版）网址：
基金项目：浙江省教育厅科研基金（20040881）.
作者简介：谌河水（1980－），男，江西南昌人，在读硕士研究生，主要研究方向：应力波与材料动态响应. E-mail: chenheshui_chs@
图 5 是不同应变率时夹层板的应力－应变曲 线，从图 5 中可以看出，泡沫铝芯体夹层板动态压 缩应力－应变曲线与泡沫铝的动态压缩应力－应
图 5 不同应变率下泡沫铝芯体夹层板应力－应变曲线
变曲线具有相似的特征. 弹性区斜率基本一样. 而 屈服值随着应变率增加而增加，在 1 560 s-1时，存 在明显致密化上升区域. 2.2 泡沫铝芯体夹层板的吸能特征
Research on the Impact Mechanic Property of Sandwich Beams with Aluminum Foam Core
CHEN He-shui, ZHAO Heng-yi, ZHANG Ming-hua
( Mechanic and Material Science Research Center, Ningbo University, Ningbo 315211, China )
参考文献：
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宁波大学学报（理工版）
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变量； σ 为流动应力； ε 为应变. 对于 1 个给定的试样，当应变是 εd 时，其单
位体积吸收的能量可以用应力－应变曲线下的积 分面积来表示. 泡沫铝芯体夹层板在受压缩载荷 时，孔壁经历了弹性、塑性和致密化变形阶段，在 线弹性区吸能不多，而在屈服平台区应力几乎不 变，能量被大量吸收.
正是因为泡沫铝复合板材的特殊性能，近几年 来，对泡沫铝芯体夹层材料的研究成为国内外热点. 其中，国外对泡沫铝芯体夹层板材料性能进行了比 较系统研究[1-4]. 同时对于壳板为钢板、铝板、玻璃 纤维，芯体为泡沫铝或PVC的多层板材的抗弯曲和 剪切性能都进行过研究[5]. 国内部分学者对泡沫铝 芯夹层圆筒的性能进行了研究[6]，但对于泡沫金属 夹层板抗冲击力学性能的研究还不多见.
泡沫铝芯体夹层板中，铝板因厚度小，在冲击 力作用下，产生的塑性变形很小，因此，夹层板体 主要通过泡沫铝被压缩来吸收能量，随着泡沫铝芯 体塑性变形的增大，大量的压缩能量被吸收，而单 位体积泡沫铝芯体所吸收的能量 C 可由下式来表 达[7]：
∫ C = εd σ dε ， 0
式中： εd 为泡沫铝芯体压缩至致密化开始时的应
（宁波大学 力学与材料科学研究中心，浙江 宁波 315211）
摘要：研究了不同应变率下泡沫铝夹层板的动态压缩应力－应变响应特性、吸能特性和应变率
敏感性. 实验结果表明：泡沫铝夹层板的动态应力应变曲线也具有泡沫材料的应力应变曲线的 “三阶段”特征. 泡沫铝芯体夹层板与泡沫铝相比，具有更高的屈服极限和更好的缓冲吸能特性. 关键词：泡沫铝夹层板；应变率敏感性；吸能