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閉孔泡沫鋁夾芯板交通運(yùn)輸抗沖擊性能研究(9)

泡沫鋁能量吸收研究

泡沫鋁平臺段的應(yīng)力遠(yuǎn)小于其基體的屈服強(qiáng)度，當(dāng)受到外界沖擊載荷時(shí)而且應(yīng)力并不是很高的情況下通過自身的大變形消耗大量的功，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)中泡孔的變形、坍塌、破裂、胞壁摩擦等各種形式所耗散的能量，從而有效地吸收外界的沖擊能量，這種在較低應(yīng)力水平下吸收大量沖擊能量的特性正是作為防沖擊和緩沖的理想材料。

泡沫鋁可以用作能量吸收材料，并被大量用作包裝等防護(hù)材料。防護(hù)性包裝的實(shí)質(zhì)是要吸收外來撞擊的能量，并使得作用在被包裝物體上的力小于某個(gè)許可值。泡沫鋁在壓縮過程中所吸收的能量主要在平臺階段。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，低密度泡沫鋁在受載過程中，經(jīng)過很小的彈性變形后，就進(jìn)入一個(gè)很長的應(yīng)力平臺。這一平臺越長，在較小的應(yīng)力下，吸收能量越大。隨著材料密度的增加，平臺應(yīng)力隨之增加。所以泡沫鋁的能量吸收能力與密度密切相關(guān)，但并不是簡單的線性相關(guān)。對于某個(gè)給定的包裝，有一個(gè)最佳的泡沫密度，選用的泡沫鋁如果密度太低，則在能量還沒有完全吸收時(shí)就被壓實(shí)了，最后作用力因?yàn)椴牧厦軐?shí)而顯著提高直到超過許可值。若密度太高，其平臺應(yīng)力可能會(huì)超過包裝物的應(yīng)力許可值。因此，理想的密度應(yīng)該是其平臺應(yīng)力正好低于包裝應(yīng)力許可值，而平臺下的面積等于所要吸收的能量。為了選擇合適的泡沫鋁用于能量吸收，人們提出了Janssen系數(shù)、緩沖系數(shù)和能量吸收圖等方法來評估材料的吸能特性。

評估泡沫鋁的能量吸收特性主要有以下幾種方法：

(1)Janssen系數(shù)，J

描述泡沫材料吸收外部沖擊能量的有效性的參數(shù)之一就是Janssen系數(shù)，

J。

J=a_p/a_j    Equation Chapter 2 Section 1                    (2-1)

可見，Janssen系數(shù)J定義為在吸收給定沖擊能量的過程中真實(shí)泡沫鋁的峰值加速度a_p與理想泡沫的加速度a_i之比，峰值加速度a_p可以由SHPB實(shí)驗(yàn)測得，而理想泡沫加速度則通過下式求得：

a_i=v²/2t                                  (2-2)

式中v為沖擊速度，t為泡沫厚度。

(2)緩沖系數(shù)，C

緩沖系數(shù)C主要是由大量泡沫材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線而來，用于定義泡沫材料的能量吸收效率，即緩沖系數(shù)C被定義為某一給定的峰值應(yīng)力σ_p,與在此應(yīng)力下泡沫鋁吸收的能量W的比值，即

C=σ_p/W                                             (2-3)