预制倒角对泡沫铝动态冲击变形及吸能的影响

沈浩田，刘 欢，杜中德，何世伟，华中胜

(1.安徽工业大学 冶金工程学院，安徽 马鞍山 243002;2.安徽工业大学 冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室，安徽 马鞍山 243002；3.安徽工业大学 材料科学与工程学院，安徽 马鞍山 243002)

泡沫铝是一种多孔功能材料，其质轻且有较高的比强度及比刚度，压缩变形过程中可在较宽的应变范围内维持应力稳定，具备优异的缓冲吸能特性[1-2]。因此，泡沫铝及其复合结构在碰撞吸能领、航空器回收等领域有广阔的应用前景[3-5]。当泡沫铝材料用于结构吸能减震、吸能盒设计等方面时，低速、高动能是主要冲击特点，在此冲击条件下需考虑泡沫铝对人员、设备保护的可行性，材料的变形模式及吸能性能成为首要研究目标。

近年来，学者们对泡沫铝的变形模式进行了系统的研究，李妍妍等[6]、王鹏飞等[7]、章超等[8]通过仿真模拟及Hopkinson杆实验装置探究了泡沫铝在不同速度下的宏观变形模式，研究指出随冲击速度增加泡沫铝表现出三种不同的变形模式：准静态均匀模式、过渡模式、冲击模式；Wang等[9-10]发现低速冲击下，泡孔的破坏模式主要表现为孔壁的塑性弯曲、泡孔的屈曲、压溃；Li等[11]明确了固定冲击速度下，泡沫铝变形模式与相对密度密切相关；Wang等[12]的研究表明，在高速冲击下胞状材料逐层塌陷，通常以冲击波的传播为特征，冲击波速度与冲击速度密切相关，同时指出泡沫铝动态材料参数(变形特性、冲击波速度等)与泡沫铝相对密度密切相关。

部分学者针对泡沫铝材料的动态冲击吸能特性也进行大量研究。一方面集中明确了不同参数对材料冲击吸能的影响。丁圆圆等[13]指出多孔金属材料单位体积吸能随材料相对密度增加线性增长，吸能影响因素因变形模式不同存在差异。Ramachandra等[14]明确了冲击速度、压缩速率对泡沫铝能量吸收的影响。研究表明，由于冲击波的传播效应，当冲击速度达到10 m/s或更高时，单位体积吸收能量显著提高；张健等[15]通过有限元模拟的方式探究了塑性波的传播对影响了泡沫金属的动能、内能以及总能量的变化，冲击过程中的应变率效应也直接影响其能量吸收特性，应变率效应越明显，能量吸收越高。另一方面主要从材料本体上实现吸能特性的改进。学者们通过采用掺杂增强相[16-19]以及表面改性[20-21]的方法实现材料屈服强度及平台应力的提高，以增强其吸能特性。

然而，在实际碰撞应用过程中，除优异的能量吸收能力外，还应考虑到高强吸能材料会引起被保护物减速过快，易对被保护体造成损伤。尤其是碰撞开始阶段,对被保护人员及物品的瞬间冲击很大，这就要求初使峰值力要尽可能低[22]。因此，本文提出通过设计预制倒角，拟对泡沫铝冲击时的初始变形位置进行控制，探究预制倒角对泡沫铝的变形模式、动态冲击特征曲线及能量吸收特性的影响，对泡沫铝材料的动态力学性能的可控性设计进行初步探索。

1 试 验

1.1 实验试件

泡沫铝试样由熔体发泡法制备，制备原料为99.6%的高纯铝锭，增黏剂选取金属钙，发泡剂使用TiH2，具体发泡过程参照文献[23]。发泡完成后，使用线切割加工成Φ50 mm×50 mm的圆柱体，而后利用车床加工成三种预置倒角样品，分别为单倒角、双倒角、中部倒角试样，如图1所示。测试样品实物图如图2所示。各样品参数如表1所示。

图1 倒角类型示意图Fig.1 Chamfer type

图2 预制倒角试件Fig.2 Prefabricated chamfered specimens

表1 样品参数Tab.1 Sample parameters

1.2 实验设备及原理

落锤冲击实验采用DTM2203型落锤式冲击实验机，其结构如图3所示。实验数据采集由传感器系统与信号放大系统组成，实验数据通过加速度传感器、电压传感器采集试件顶部与底部信号并经放大器系统放大，采用高速摄影系统采集试样冲击时试样变形过程。

图3 冲击试验系统结构示意图Fig.3 Schematic view of the impact system

由加速度信号可以得到瞬态冲击载荷

P(t)=M[g+a(t)]

(1)

式中:P(t)为瞬态压缩载荷;M为落锤质量；g为重力加速度；a(t)为测得的瞬态加速度。对加速度进行一次和二次积分，可获得相应的瞬态速度和瞬态位移。

(2)

(3)

式中，v(0)，s(0)分别为初始冲击速度和初始压缩位移，结合式(1)和式(3)可得到位移-载荷曲线P(s)，将泡沫铝试件等效为连续体由位移-载荷曲线可得名义应力-应变曲线。

实验依倒角类别不同分4组进行(见表1)，其中一组无倒角样品作为对照，每组进行三次重复试验。为有效观察试件内部变形带与孔壁变形，将试样应变控制在0.5左右，通过多次预实验确定冲击条件为：冲击速度3 m/s，冲击能量180 J。

2 试验结果

2.1 特征曲线及表征

图4(a)～图4(d)为冲击试验所得各样品的位移-载荷曲线，曲线编号与表1对应。由图可得，倒角前后，其冲击曲线发生明显变化。对常规样品，曲线包含两部分(见图4(a))：碰撞初期(阶段Ⅰ)，载荷急剧上升至峰值，代表冲击初始阶段泡孔的弹性变形。此阶段引发长度l约2.6～3.5 mm而后进入平台区(阶段Ⅱ)，由于动态冲击应变率较高，此阶段各孔隙壁之间来不及发生应力重分布，导致泡沫铝内部的坍塌带迅速扩展并坍塌，载荷发生波动。预置倒角后，线弹性区明显缩短，同时峰值载荷消失，如图4(b)～图4(d)。

图4 位移-载荷曲线Fig.4 Displacement-load curves

文献[24]中将各倒角试件应变0.05～0.07内载荷最大值定义为峰值载荷Fp。曲线平均载荷Fm定义为

(4)

式中，xD为泡沫铝致密化的起始位移点，根据能量吸收效率法[25]计算得到，图5为能量吸收效率法确定致密化应变起始点示意图。具体如下：

图5 致密化应变的测定Fig.5 Determination of densification strain

一定应变下能量吸收效率

(5)

式中，εy为屈服应变。

最大能量吸收效率对应应变为ε1，即

(6)

峰值应力切线交点处对应应变为ε2，则致密化应变

(7)

各试验样品的应力-应变曲线及其对应吸能效率曲线,如图6所示。

图6 试件致密化应变Fig.6 Densification strain measurement of specimen

由图可得，吸能效率均未达到极值，代表泡沫铝材料在冲击过程中未达到致密化应变。因此，本文平均载荷Fm定义如下，计算结果见表2。

表2 样品峰值载荷与平均载荷Tab.2 Peak load and average load of sample

(8)

式中，L为样品冲击位移。

2.2 变形模式

为综合分析不同倒角对试件变形模式的影响，将冲击完成后的样品利用线切割手段将试样沿纵轴切开观察其内部变形带结构，如图7所示。本实验中泡沫铝的变形均集中材料内，未发生部分材料的剪切滑移，代表材料较好的韧性[26-27]。单、双倒角及无倒角样品最终变形模式类似，均产生类“X”型变形带(见图7(a)～图7(c))，此类变形带的出现往往对应多孔材料的低速冲击，变形带可能由于上下“V”变形带交汇而成[28]。泡孔沿此变形带逐层坍缩变形，循环往复直至硬化。图中，试件变形模式主要以泡孔的纵向挤压及剪切拉伸变形为主，类似准静态压缩[29]。而中部倒角变形带存在差异。其变形主要集中在中部及上部，对应中部泡孔的纵向坍塌及上部倒V形变形带产生，下部样品未发生塑性形变。

图7 样品变形图Fig.7 Sample deformation

3 分析与讨论

3.1 倒角对冲击曲线及变形的影响

3.1.1 倒角的引入使峰值载荷大幅降低

峰值载荷的出现是无倒角样品动态冲击的典型特征，将各试件峰值载荷绘制于图8。

图8 峰值载荷对比Fig.8 Comparison of peak load

由图8可得，与常规试件相比，三种倒角平均峰值降幅分别为26.54%(单倒角)、26.32%(双倒角)、18.56%(中间倒角)。

为明确预置倒角对力学性能的影响，作者基于ARAMIS软件对采集录像截图并进行图像处理，选取峰值及平台区的代表区域，获取位移场和应变场信息，并与应力-应变特征曲线对应，如图9所示。

图9 试件应变场信息Fig.9 Strain field information of specimen

图中，常规无倒角泡沫铝峰值载荷对应位移在2.6 mm处，对应试样整体弹性变形较均匀，在试件上部已出现倾斜变形趋势，与张健等研究中准静态变形模式吻合。而对预置倒角样品，此时材料线弹性变形结束，塑性变形开始，且由图可得，变形始发于倒角部位固定产生，即倒角试件因其倒角处较试件主体较为薄弱，使试件塑性变形提前，对应引发长度降低。上倒角与双倒角样品变形模式类似，形变集中于一侧倒角(顶部或底部)，以倒角处小范围泡孔的密集变形为主，二者峰降几乎无差别。但相对于单、双倒角，中间倒角峰值降幅较小，这可能由于其变形方式差异所致。不同于单、双倒角样品，中间倒角样品初始变形范围较大，以倒角区域整体变形为主。总体而言，倒角处应力集中导致初始变形模式与常规泡沫铝样品存在差异，峰值载荷有效降低。而倒角类型对应不同初始变形模式，使峰降存在差异。

3.1.2 倒角类型决定平台区趋势

无倒角试件平台区比载荷稳定，较长的平台区是泡沫铝吸能性能优良的重要原因。单倒角、双倒角，其平台区与无倒角试件基本无异，在ε<0.5内无明显硬化现象,说明倒角对材料后续变形影响不大。由图9中应变0.15处对应的应变场信息可知，与无倒角样品相似，单、双倒角泡沫的后续变形基于初始变形带，而后在材料内部扩展。中间倒角，在应变0.15后试件强度陡增，位移-载荷曲线高于其他试件。此种趋势往往存在于低密度泡沫铝样品的较高能量冲击条件下。这种现象的产生是由于泡沫铝材料接近压实，应变达到0.58以上，但本实验泡沫应变0.3时材料远未被压实。与常规样品及上下倒角倒角样品相比，中间倒角试样最大区别在于变形带的发展历程，对中间倒角样品，初始变形带呈“一”字形排布，随压缩进行向上下垂直扩展(见图9中间倒角)。待中部压缩达到一定阶段，此阶段变形中止，新的倒“V”变形带于材料上部产生(见图7(d))。有限区域内新变形带的产生及发展导致曲线上扬。

本文以平均承载载荷与最大载荷比值吸能效率ef来描述塑性变形阶段试件所受瞬时力的波动程度，比值越大说明波动程度越小，代表材料耗能性能更优。

(8)

式中：Fm指平均承载力；Fmax指最高承载力。

统计结果如图10所示。由图10可得，单倒角样品比值最大为86.93%，代表其吸能过程波动程度最小。双倒角略优于常规泡沫铝，中间倒角波动最大。单倒角泡沫铝的平均承载载荷更接近于最大载荷，塑性耗能阶段更为平缓，ef更高。

图10 吸能效率对比Fig.10 Comparison of energy absorption efficiency

3.2 吸能分析

动态冲击下，由式(5)统计得出四类试件的平均能量吸收效率，如图11所示。由图可得，随应变增加，各试件能量吸收效率线性提高。材料应变达到0.25及以上时，除中部倒角的能量吸收效率略低，其它类型样品相差无几。这是由于此应变范围内，中部倒角平台区产生明显硬化，其应力逐步上升的趋势导致能量吸收效率略低。总体而言，设置倒角对泡沫铝试件在平台区的能量吸收效率无显著影响。

图11 能量吸收效率Fig.11 Energy absorption efficiency

4 结 论

(1)预置倒角可有效降低泡沫铝动态冲击的峰值载荷，较无倒角试件分别降低26.54%(单)、26.32%(双)、18.56%(中)。此现象归因于倒角材料初始变形模式的改变。

(2)倒角种类决定平台区趋势。塑性变形阶段，单倒角载荷波动最小，耗能性能较常规泡沫铝材料更优，中部倒角平台区呈硬化现象，载荷波动最明显。

(3)中部倒角泡沫铝低速冲击下产生两个独立变形带，相对其它常规、倒角样品，存在差异化的变形模式。

(4)设置倒角对泡沫铝试件在平台区的能量吸收效率无显著影响。