泡沫铝夹芯板的三点弯曲实验研究和仿真模拟

王 冬，闫 畅，宋绪丁

（长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安710064）

泡沫铝材料具有相对密度低、质量轻、比表面积大、比力学性能高、阻尼性能好的结构特点，同时具有轻质、吸声、隔声、吸能、减震、电磁屏蔽等多种优良性能。泡沫铝的概念最早由美国人B.Sosnick等提出[1]，随后日本、德国、中国等开始投入研究。泡沫铝夹芯板具有轻质、高比强度和比刚度的突出特点，并且具有良好的吸能、减震及电磁屏蔽等性能，在汽车制造、轨道交通、航空航天、海运等领域有着广阔的应用前景。

对于泡沫铝夹芯板而言，弯曲是最常见的承载形式，因此需要研究泡沫铝夹芯板的抗弯强度。Zarei等对弯曲载荷下的泡沫铝夹芯板进行了实验和数据研究[2]。查海波等对泡沫铝层合梁的弯曲性能进行了实验研究，指出其具有良好的复合性能[3]。范爱琴等通过准静态三点弯曲测试了不同芯层厚度的泡沫铝夹芯板的刚度，获得了载荷-位移曲线和失效形貌[4]。

本工作是对钢板为上下面的泡沫铝夹芯板进行了三点弯曲试验，用ABAQUS仿真模拟了泡沫铝夹芯板的三点弯曲过程及其失效模式，并将试验和仿真结果进行了比较。

1 试验

1.1 试验材料及准备

泡沫铝夹芯板的芯层是7050基体泡沫铝，面板用304不锈钢板。采用线切割将泡沫铝切割成厚度为15 mm，150 mm*30 mm的板，钢板切割成厚度为1 mm，150 mm*30 mm的板。制作泡沫铝夹芯板时为了得到更好的粘结性能，首先使用砂纸打磨粘结面并用清水清洗，然后将其置于120°C恒温下的电烤箱中烘烤4 h.再使用丙酮清洗泡沫芯体和钢面板表面；将配好的环氧树脂粘结剂均匀的涂抹在面板和芯体上粘结成试样；将粘结好的泡沫铝夹芯板放在刷了环氧树脂脱模剂的托盘上，并在试样上放置特制压具对其施压，把托盘置于恒温80°C的电烤箱中加热2 h，加热结束后把试件放在室温下冷却48 h.实验制得的泡沫铝夹芯板如图1（a）所示。

1.2 试验过程

本实验采用WDW-50E微机控制电子万能试验机对泡沫铝夹芯板进行三点弯曲试验。如图1（b）所示，两个支座之间的长度L是80 mm，两边悬臂梁的长度H都是35 mm，压头和支座的直径d都是10 mm，泡沫铝夹芯板的宽度b=30 mm，芯层泡沫铝的厚度c=15 mm，面板的厚度 t=1 mm.压头以2 mm/min的位移载荷向下压泡沫铝夹芯板，计算机会记录加载的压力P和下压的位移S.

图1 泡沫铝夹芯板试样及三点弯曲示意图

1.3 试验结果及结论

图2 （a）是泡沫铝夹芯板三点弯曲试验的结果图。由图可知泡沫铝夹芯板的芯层出现了裂纹，裂纹是在压头下方，芯层和下面板结合的附近开始产生，并指向压头的方向。可知试验的失效模式为芯体剪切。

图2（b）是泡沫铝夹芯板的载荷-位移曲线。由图可知，曲线在O-A区间内呈线性增长，这个阶段是弹性变形阶段。载荷曲线在线性增长后进入屈服阶段，然后在A-C区间内载荷呈非线性变形，此阶段是芯层泡沫铝孔结构的断裂和倒塌，这个过程泡沫铝充分发挥了吸能特性。C点之后曲线迅速下降，表示夹芯板芯层内部发生了强烈的孔系结构的破坏或者芯层断裂。

图2 泡沫铝夹芯板的三点弯曲试验结果及载荷-位移曲线

2 有限元模拟

2.1 有限元模型

利用ABAQUS建立如图1（b）所示的几何模型。泡沫铝夹芯板芯层和面板均采用三维实体单元C3D8；压头和支座采用解析刚体；面板和芯层的结合面用绑定约束，确保它们不会脱离；压头和支座与面板的接触设置为面面接触，接触面的切向摩擦系数为0.2，法向是硬接触；将支座完全固定，压头上施加位移载荷。其中芯层泡沫铝是以7050铝合金为基体发泡形成，面板是304不锈钢钢板，它们的材料参数见表1.采用扩展有限元法（XFEM）来模拟泡沫铝夹芯板三点弯曲失效时的裂纹模型。分析采用静态分析。

表17050 铝合金和304不锈钢材料参数

2.2 模拟结果

图3（a）是泡沫铝夹芯板在三点弯曲载荷下的应力云图，可以看出仿真结果和试验结果基本吻合。都是在压头下方，芯层和下面板结合的附近开始产生裂纹，并且裂纹指向压头的方向。

图3（b）给出了泡沫铝夹芯板三点弯曲时压头的载荷-位移曲线。由图可知，数值模拟的载荷位移曲线和试验的大致相同，都经历了三个阶段：弹性变形阶段，即线性增长阶段；屈服阶段，即非线性变形阶段；快速下降阶段，即完全破坏阶段。

图3 泡沫铝夹芯板的三点弯曲仿真结果及载荷-位移曲线

3 结论

使用粘结法制备泡沫铝夹芯板，在电子万能试验机上进行了三点弯曲试验，并用ABAQUS做了三点弯曲仿真模拟；试验结果和仿真结果基本吻合，并得到以下结论：

（1）三点弯曲过程分为三个阶段：弹性变形阶段、屈服阶段和完全破坏阶段。其中屈服阶段持续的时间最长。

（2）泡沫铝夹芯板在三点弯曲试验下的主要失效模式表现为芯体剪切失效模式。