0 引言

随着科学技术的发展，机动车辆的数量越来越多，速度也越来越快，随之而来的交通事故对人类和环境的破坏也越来越大，这使得被动式安全吸能装置设计方面的研究成为了重要课题。20世纪60年代以来，由于管状结构生产方便、低成本和在冲击载荷作用下良好的吸能特性，引起了国内外研究者的广泛关注[1-3]。

管状结构在吸能缓冲方面的研究从单管发展到夹芯双管结构。Fan等[4]研究了动态侧向载荷作用下薄壁金属圆管的力学响应，结果表明动态冲击载荷作用下圆管能量耗散主要通过沿环向移动的塑性铰实现。为进一步提高管状结构的吸能效率，基于金属泡沫材料相对于传统材料具有轻质、高比强度、高比刚度和优异的吸能等特点，金属泡沫填充管引起了研究者们的关注。Hall等[5]首先对泡沫金属铝、铜和钛填充管在横向冲击载荷下的吸能进行了研究，泡沫铝填充管表现出最好的吸能效果。Fan等[4]与Shen等[6]对铝泡沫填充的薄壁双圆管结构进行了横向压扁的实验研究，观察到3种不同的压溃模态，得到了渐进的倒塌过程和载荷- 位移曲线。数值模拟了泡沫填充管的渐进坍塌过程，并与实验数据进行了对比。研究结果表明，泡沫填充的三明治管的能量吸收能力比单独的内管、外管与泡沫芯层吸能的总和大。Niknejad等[7]对软木填充的复合材料管进行了侧向压入实验研究。在研究夹芯管吸能性能的同时，其他截面形状的夹芯结构的吸能性能也引起了研究者们的关注，主要包括矩形截面长方体管[8]、矩形截面四棱锥管[9]、圆锥截面管[10]、多边形截面管[11]、椭圆截面管[12]。另外，Olabi等[13]通过实验与数值模拟相结合的方法研究了圆管嵌套系统在低速侧向冲击下的力学行为，并对嵌套系统进行了优化设计。Baroutaji等[14]利用实验设计原理、响应面法和多目标优化设计等方法对准静态侧向压缩的泡沫铝夹芯圆管结构进行了优化设计。

综上所述，与金属薄壁管相比，多孔材料夹芯双圆管结构结合了多孔材料与薄壁管的优点，不仅可以获得较高的承载能力，而且具有良好的吸能性能。已有的研究主要集中于压缩载荷作用下夹芯双圆管变形与吸能性能的研究，而冲击载荷作用下泡沫铝填充管的研究较为少见。作为缓冲吸能的结构元件，大多数情况下要承受各种冲击载荷作用，因此本文开展了横向冲击载荷作用下泡沫铝夹芯双圆管的变形与吸能特性的研究。利用非线性有限元软件LS-DYNA建立了夹芯双圆管结构的有限元模型，并与文献[4]中已有的实验结果进行了对比，从而验证了有限元模型的合理性与可行性。基于建立的有限元模型分析了泡沫铝夹芯双圆管结构的几何参数，如外管、内管的直径与壁厚等因素对结构的抗冲击性与耐撞性的影响；研究了不同冲击速度对夹芯双圆管结构的力学行为与能量分配机理的影响；并分析了芯层材料泡沫铝的相对密度对结构冲击载荷和比吸能的影响。

1 有限元仿真

1.1 有限元模型

采用有限元软件LS-DYNA对泡沫铝夹芯双圆管结构在横向冲击载荷作用下的变形模态与吸能机理进行数值模拟。泡沫铝夹芯双圆管结构由内、外两个同心薄壁金属圆管和泡沫铝芯层3部分组成，如图1所示。内、外两个薄壁金属圆管的材料铝合金AA6061-T5对应变率效应不敏感，因此可以忽略应变率的影响[4]。芯层材料采用闭孔泡沫铝。图1中，外圆管的直径为D，壁厚为H，内圆管的直径为d，壁厚为h，长度为L. 内、外两个薄壁金属圆管采用4节点SHELL163单元，沿厚度方向采用5个积分点，泡沫铝芯层采用8节点SOLID164单元。建立的有限元模型如图2所示，泡沫铝夹芯双圆管横向放置在底端完全固定的刚性平板上，上部受冲击速度为v的刚性平板冲击。泡沫铝夹芯双圆管与上下刚板之间采用自动面面接触(CONTACT_ AUTOMATIC_SURFACE_ TO_SURFACE)，泡沫铝芯层与内管、外管之间约束采用固- 连面面接触(CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE)，动摩擦系数f=0.1.

图1 泡沫铝夹芯双圆管示意图Fig.1 Schematic diagram of aluminum foam-filled double circular tube

图2 泡沫铝夹芯双圆管有限元模型Fig.2 Finite element model of aluminum foam-filled double circular tube

1.2 材料属性

在有限元分析中，上刚板、下刚板采用MAT_RIGID材料模型。内、外两个薄壁金属圆管的材料采用双线性应变强化弹塑性模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)，芯层材料泡沫铝采用可压缩泡沫材料模型(*MAT_CRUSHABLE_FOAM)[15]，具体的材料参数如表1、表2所示。模拟分析中考虑了不同几何尺寸的泡沫铝夹芯双圆管结构，4种相对密度分别为8%、9%、12%和20%的泡沫铝芯层材料，共研究了15种不同几何参数的夹芯双圆管试件，详细参数如表3所示。图3给出了相对密度分别为8%、12%和20%的泡沫铝工程应力- 应变曲线，其中相对密度为9%的泡沫铝材料应力与应变关系由文献[4]给出。