CN105299120A - 一种缓冲吸能填充管 - Google Patents

Abstract

一种缓冲吸能填充管，它属于缓冲吸能构件。它要解决目前泡沫铝填充管存在吸能效果差的问题。本发明采用铝基复合泡沫材料为填充物，制成铝基复合泡沫填充管构件，取得数倍于普通泡沫铝填充管构件的吸能效果，弥补了铝基复合泡沫材料由于自身强度较低不能单独作为吸能或承载结构的缺点，在遭受爆炸冲击、撞击等极端荷载时高强度铝基复合泡沫填充管构件可以充分发挥并综合各种材料的优势和力学性能，既有独立的承载能力，又具有稳定性高、吸能能力强、可在极端环境下服役等突出优点。对其进行了准静态压缩试验，证明具有优于普通泡沫铝填充管的吸能能力和力学性能；与传统的空钢管和普通泡沫铝填充管相比，压溃力和吸能能力均有了较大幅度的提升。

Description

一种缓冲吸能填充管

技术领域

本发明属于缓冲吸能构件，具体涉及缓冲吸能填充管。

背景技术

美国“911”世贸大厦恐怖袭击事件以后，对于大型公共建筑物的抗爆设计、计算分析方法以及防护策略得到全世界范围内的关注，工程结构的抗爆抗冲击逐渐成为当前土木工程领域的研究热点。

工程中常用的薄壁金属管是最传统、最有效的缓冲吸能结构，已经广泛应用于汽车、铁路列车、飞机和船舶等几乎所有运载工具的碰撞能量耗散系统中。泡沫铝是多孔金属材料，在冲击压缩过程中，其应力-应变曲线上塑性变形阶段的应力几乎恒定不变，使得动能转化为应变能，从而具有一定的能量吸收特性，在减振、抗冲击以及吸能方面都有着较好的性能表现。将泡沫铝与薄壁管结构相结合，制备成泡沫铝填充管结构，可以获得较好的吸能效果，目前得到了一定程度的应用。

虽然普通泡沫铝具有质量轻、抗冲击性能强的特点，但是普通泡沫铝对拉力、压力、弯矩、扭矩等载荷的抵抗能力比较差，容易发生断裂而破坏，制备成泡沫铝填充管结构吸能效果有限。

近年来，随着材料科学的发展，产生了一种新型的铝基复合泡沫材料，这种材料有着远远高于普通泡沫铝的承载力和吸能能力。普通泡沫铝屈服强度一般不高于10MPa，铝基复合泡沫材料屈服强度介于40～120MPa之间。同时，其屈服强度可自行设计调节，具有承载能力高、吸能性能好、轻质和低密度等优点，更适用于爆炸、强冲击等高应变率载荷作用的服役环境。

发明内容

本发明目的是为了解决目前泡沫铝填充管存在吸能效果差的问题，而提供一种缓冲吸能填充管。

一种缓冲吸能填充管，它由壁厚1mm的304不锈钢空心管和填充在空心管内的铝基复合泡沫组成。

本发明缓冲吸能填充管，采用铝基复合泡沫材料为填充物，制备成铝基复合泡沫填充管构件，取得数倍于普通泡沫铝填充管构件的吸能效果，弥补了铝基复合泡沫材料由于自身强度较低不能单独作为吸能或承载结构的缺点，在遭受爆炸冲击、撞击等极端荷载时，由于空钢管和铝基复合泡沫的接触面之间存在耦合作用，致使铝基复合泡沫填充管的压溃力和吸能能力大于空钢管和铝基复合泡沫的压溃力和吸能能力之和，高强度铝基复合泡沫填充管构件可以充分发挥并综合各种材料的优势和力学性能，既有独立的承载能力，又具有稳定性高、吸能能力强、可在极端环境下服役等突出优点。对其进行了准静态压缩试验，证明具有优于普通泡沫铝填充管的吸能能力和力学性能；与传统的空钢管和普通泡沫铝填充管相比，压溃力和吸能能力均有了较大幅度的提升，可以作为一种新型的结构构件发挥承载吸能作用。

附图说明

图1为实施例中缓冲吸能填充管的示意图；

图2为实施例中缓冲吸能填充管的实物图；

图3为实施例中试件AX-1、AX-2、AX-3、AX-4、AX-5、AX-6、AX-7和AX-8的轴压准静态压缩最终变形图；

图4为实施例中试件AX-1、AX-2、AX-3和AX-4的轴向压缩荷载-位移曲线图，其中“—”表示AX-1，“－－－”表示AX-2，“‥‥”表示AX-3，“…”表示AX-4；

图5为实施例中试件AX-5、AX-6、AX-7和AX-8的轴向压缩荷载-位移曲线图，其中“—”表示AX-5，“－－－”表示AX-6，“‥‥”表示AX-7，“…”表示AX-8；

图6为实施例中试件TR-1、TR-2、TR-3、TR-4、TR-5、TR-6、TR-7和TR-8的横向准静态压缩最终变形图；

图7为实施例中试件TR-1、TR-2、TR-3和TR-4的轴向压缩荷载-位移曲线图，其中“—”表示TR-1，“－－－”表示TR-2，“‥‥”表示TR-3，“…”表示TR-4；

图8为实施例中试件TR-5、TR-6、TR-7和TR-8的轴向压缩荷载-位移曲线图，其中“—”表示TR-5，“－－－”表示TR-6，“‥‥”表示TR-7，“…”表示TR-8；

图9为实施例中试件的比吸能-填充材料强度关系曲线图，其中■表示0.5mm壁厚试件-轴向，●表示1.0mm壁厚试件-轴向，▼表示0.5mm壁厚试件-横向，▲表示1.0mm壁厚试件-横向。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式缓冲吸能填充管，它由壁厚1mm的304不锈钢空心管和填充在空心管内的铝基复合泡沫组成。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述铝基复合泡沫为孔径80μm的空心微球铝基复合泡沫材料或者孔径150μm的空心微球铝基复合泡沫材料。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是，所述孔径80μm的空心微球铝基复合泡沫材料的密度为1.0085g/cm³。它与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二不同的是，所述孔径150μm的空心微球铝基复合泡沫材料的密度为0.6572g/cm³。其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述铝基复合泡沫是从整块的铝基复合泡沫锭子上通过线切割进行加工并保持完整性。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述铝基复合泡沫的外径略小于不锈钢空心管的内径。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述缓冲吸能填充管的制备过程：采用线切割法将铝基复合泡沫材料切割成圆柱体，然后置入不锈钢空心管中。其它与具体实施方式一至六之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例：

缓冲吸能填充管，它由壁厚1mm的304不锈钢空心管和填充在空心管内的铝基复合泡沫组成。

所述铝基复合泡沫为孔径150μm的空心微球铝基复合泡沫材料，密度为0.6572g/cm³。

本实施例中缓冲吸能填充管，其结构如图1和图2所示，铝基复合泡沫的外径略小于不锈钢空心管的内径，两者之间无粘结。

试验：

1.试件设计

分别对空心钢管和泡沫金属填充管进行了压缩试验，钢管高度均为30mm，内径均为20mm，钢管的壁厚分别为0.5mm和1.0mm，钢管材料选用304不锈钢焊缝管。钢管内部填充的泡沫金属材料直径均为20mm，高度为30mm。用于填充钢管的泡沫金属材料分为三种类型：普通泡沫铝，孔径80μm的空心微球铝基复合泡沫和孔径150μm的空心微球铝基复合泡沫(即本实施中的缓冲吸能填充管)，三种强度呈一定梯度的泡沫金属材料。试件具体参数如表1所示。

表1试件参数

2.轴向压缩试验结果及分析

试验结束后，得到各个试件的最终变形，见图3，从试件压缩后的屈曲形态来看，空心钢管和泡沫金属填充管表现出不同的变形特点：

(1)对于空心钢管而言(图3)，构件在轴向力的作用下发生逐层的屈曲变形，压缩后截面主要成三角形。1mm壁厚的试件由于较0.5mm厚的试件壁厚较厚，其形成的塑性铰区域更大，褶皱处更为圆滑。

(2)对于填充管试件而言，由于泡沫铝或铝基复合泡沫与管壁的相互作用，管壁的翻折模式变成向外翻折变形，同时屈曲的波长缩短，试件的变形模式由空钢管的三角形转换成圆环形。但是对于80μm的铝基复合泡沫填充管来说，由于芯材的屈服强度很大，导致接触力过大，试件的压缩量很小，0.5mm壁厚的试件甚至出现了整体失稳的现象。

各个试件的荷载-位移曲线，见图4和图5，试件轴向压缩的荷载-位移曲线显示，空钢管和填充管都经历了弹性压缩阶段、弹塑性屈曲失稳阶段以及压缩密实等三个阶段。对于空心钢管而言，两种不同壁厚的空心钢管的压缩荷载位移曲线形状相差无几，二者均反映了准静态压缩时空心钢管的屈曲失稳过程，压缩开始时刻空管处于弹性压缩状态，随着压缩位移的增加压力迅速升高，到达峰值后快速下降降至峰值压力的1/3，而后压力随着位移的继续增加，压力围绕峰值压力的1/3处上下波动。

对于泡沫铝填充管而言，其荷载位移曲线有如下特点：

(1)管壁厚度为0.5mm的试件与相同壁厚的空心钢管试件相比，普通泡沫铝填充管的压力荷载峰值由13kN提高至15kN，提高幅度仅为15.4％；两种不同屈服强度的铝基复合泡沫填充管的压力荷载峰值分别为24kN和42kN，相比空心钢管提高了84.6％和223.1％。可以看出，改变钢管内部的泡沫铝填充体的屈服强度，可以大幅度提高组合结构的承载能力和吸能特性。同时，由曲线也可看出随着填充材料屈服强度的不断提高曲线震荡减弱，压实变形减小。

(2)管壁厚度为1.0mm的试件与相同壁厚的空心钢管试件相比，普通泡沫铝填充管的压力荷载峰值由31kN提高至42kN，提高幅度为35.5％，相比于0.5mm壁厚的同等试件的15.4％有较大幅度的提高，说明在一定程度上提高管的壁厚有助于填充材料承载能力的发挥；150μm孔径的铝基复合泡沫填充管的压力荷载峰值为56kN，相比空心钢管提高了80.6％；而80μm孔径的铝基复合泡沫填充管无明显的压缩平台段，承载力过高。

3.横向压缩试验结果及分析

进一步研究泡沫铝填充薄壁圆管的压缩力学性能，在轴压试验的基础上又完成了试件横向准静态压缩试验，以测试其横向压缩力学性能。

试件最终屈曲变形如图6所示，在轴向压缩作用下，填充管的变形模式由空钢管的哑铃状转变成了跑道状。

试件的荷载位移曲线如图7和图8所示，从荷载-位移曲线可以看出：

(1)随着管内填充材料屈服强度的提高，填充管的整体变形能力降低，但接触力增加较快。试件在横向压缩荷载作用下，0.5mm和1.0mm壁厚的空心钢管压力荷载峰值分别为0.041kN和1.5kN，远远低于轴压荷载峰值。

(2)0.5mm壁厚空心钢管内部填充填充普通泡沫铝、150μm和80μm孔径的铝基空心微球/Al基复合泡沫材料后，其抗压承载力峰值分别为3.2kN、8.5kN和20kN，对于1.0mm壁厚的填充而言，三者的抗压承载力峰值分别为4.3kN、8.7kN和19.8kN。由此可见，与空管比较填充管中主要为填充材料承担主要的荷载，当填充材料强度增加至一定值后0.5mm壁厚的试件与1mm壁厚的试件承载能力相差无几。

4.吸能分析

为了更加科学的对各个试件在静力压缩条件下进行比对，考量其吸能性能的优劣与承载力的高低，分别定义了单位质量所吸收的能量和压缩过程中的平均压力F_m。具体参数如下：

试件在压缩过程中吸收的总能为压力对压缩位移的积分：

$W\left(s\right)={\∫}_0^{s}F\left(\stackrel{\‾}{s}\right)d\stackrel{\‾}{s}---\left(1\right)$

则对于每个试件被压缩单位长度单位质量吸收的能量为：

$\stackrel{\‾}{W}=\frac{W\left(s\right)}{m\·s}=\frac{{\∫}_0^{s}F\left(\stackrel{\‾}{s}\right)d\stackrel{\‾}{s}}{m\·s}---\left(2\right)$

W(s)为当压缩位移到达s时试件吸收的能量，为压缩位移为时压缩力。W为压缩位移到达s时试件单位质量吸收的能量

另外试件的平均压缩力可由下式计算得到：

$F_m=\frac{W\left(s\right)}{s}=\frac{{\∫}_0^{s}F\left(\stackrel{\‾}{s}\right)d\stackrel{\‾}{s}}{s}---\left(3\right)$

表2各个试件试验结果对比

注：s_max为试件最大压缩位移，F_m(s_max)平均压缩力，单位长度单位质量吸收的能量，W(s_max)为发生最大位移时的吸能值。

从图9曲线可以看出比吸能最大的构件是1mm壁厚150μm铝基复合泡沫芯材的构件。对于0.5mm壁厚构件的轴向压缩和1mm壁厚构件的横向压缩来说，芯材的填入不仅没有提高其比吸能，反而有所降低，这是因为虽然接触力有了提高，但是压缩量出现了明显的减小。对于0.5mm壁厚构件的横向压缩，芯材的填入使其比吸能增大，而且芯材强度越高，比吸能越大。

综上，铝基复合泡沫与传统的空钢管和普通泡沫铝填充管相比，压溃力和吸能能力均有了较大幅度的提升，可以作为一种新型的结构构件发挥承载吸能作用。

Claims (7)

1.一种缓冲吸能填充管，其特征在于：它由壁厚1mm的304不锈钢空心管和填充在空心管内的铝基复合泡沫组成。

2.根据权利要求1所述的一种缓冲吸能填充管，其特征在于所述铝基复合泡沫型号为所述铝基复合泡沫为孔径80μm的空心微球铝基复合泡沫材料或者孔径150μm的空心微球铝基复合泡沫材料。

3.根据权利要求2所述的一种缓冲吸能填充管，其特征在于所述孔径80μm的空心微球铝基复合泡沫材料的密度为1.0085g/cm³。

4.根据权利要求2所述的一种缓冲吸能填充管，其特征在于所述孔径150μm的空心微球铝基复合泡沫材料的密度为0.6572g/cm³。

5.根据权利要求1所述的一种缓冲吸能填充管，其特征在于所述铝基复合泡沫是从整块的铝基复合泡沫锭子上通过线切割进行加工并保持完整性。

6.根据权利要求1所述的一种缓冲吸能填充管，其特征在于所述铝基复合泡沫的外径略小于不锈钢空心管的内径。

7.根据权利要求1所述的一种缓冲吸能填充管，其特征在于所述缓冲吸能填充管的制备过程：采用线切割法将铝基复合泡沫材料切割成圆柱体，然后置入不锈钢空心管中。