Amélioration de quasi - Groupe en aluminium pur

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6929 (2023) Citer cet article

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Les blocs de mousse à cellules fermées en aluminium sont créés avec un volume de 1 pouce3 qui se composent de pièces en mousse d'aluminium blindées avec une partie de tube en aluminium et, dans certains types, renforcées avec des tubes intérieurs en aluminium. Des blocs ont été fabriqués pour surmonter certains problèmes existants dans la mousse métallique utilisée pour protéger certaines pièces d'applications contre les impacts en tant que pièce sacrificielle. La mousse métallique comprend trois catégories principales de panneaux sandwich, de tubes remplis et de tôles ondulées. Des essais de compression quasi-statique ont été appliqués sur 12 blocs de formes différentes et comparés à des blocs de mousse d'aluminium pur comme référence. Les résultats montrent l'amélioration des propriétés mécaniques des blocs comme la limite d'élasticité (SY), la résistance à l'écrasement (Sc) et la résistance à la densification (Sd), la compression à une déformation de 70 %, ainsi que l'énergie absorbée (aire de compression sous la courbe). La valeur la plus élevée pour la limite d'élasticité (5,87 MPa) a été enregistrée pour le bloc de cube des phalanges des doigts (FP - 0,1 Sq.). Alors que la valeur la plus élevée pour la force de densification (21,7 MPa) a été enregistrée pour le bloc-cylindres de colonne vertébrale (SV8 - 0,17 C25). Les résultats enregistrés pour les échantillons dont la valeur la plus élevée pour la densité de dissipation d'énergie (Edd) est de 40,52 J/in3 (amélioration de 91 %) et la résistance à l'écrasement (8,61 MPa) ont été enregistrés pour le bloc-cylindres de la phalange des doigts (FP—0,17 C25). La valeur la plus basse pour Edd est de 14,16 J/in3 (moins que la valeur du bloc de mousse d'aluminium pur de 33 %), SY = 0,42 MPa, Sc = 3,21 MPa et Sd = 4,46 MPa, enregistrée pour le bloc-cylindres de conduit auditif à paroi mince (EC8— 0,075 C26,5). Les meilleures propriétés mécaniques ont été obtenues pour le bloc-cylindres de la phalange des doigts (FP—0,17 C25) et le bloc-cylindres de la colonne vertébrale (SV8—0,17 C25).

La mousse d'aluminium (Al) a été fabriquée au milieu du siècle dernier. Il a été utilisé dans de nombreuses applications telles que le support de certaines parties de voitures et de conteneurs pour absorber les chocs et améliorer l'isolation du son et de la chaleur. La mousse à cellules fermées Al (ACCF) est considérée comme un matériau consommable dans les applications où elle fonctionne comme une pièce sacrificielle qui absorbe l'énergie pour protéger les pièces ou les machines contre les chocs violents. Bien qu'il existe plusieurs formes comme les panneaux sandwich, les tubes remplis et les tôles ondulées utilisées dans les applications industrielles, il reste confronté à des défis tels que le coût de production élevé et le coût élevé des pièces coulées ou des tubes de remplissage, après les impacts, des pièces ou des tôles défectueuses sont remplacé par un neuf comme d'habitude si possible, où il ne peut pas être réparé, ce qui entraîne un coût de maintenance élevé (c'est-à-dire que les pièces en mousse d'Al lorsqu'elles sont exposées à des contraintes de flexion par impact, elles seront déformées et doivent être remplacées totalement). La mousse d'Al a été utilisée dans de nombreuses applications, des murs et des toits de bâtiments légers (c'est-à-dire des panneaux sandwich en acier Al (SAS) et des panneaux sandwich en mousse Al (AFS)) à la résistance aux chocs dans les automobiles.

La figure 1 montre certaines applications pour les pièces en mousse d'aluminium qui sont utilisées pour protéger les châssis automobiles contre les impacts également, les trains utilisaient de la mousse dans les zones de déformation où elle est légère et capable d'absorber une énergie élevée lors de l'impact. Les applications les plus importantes de la mousse métallique sont les crash boxes qui protègent le pare-chocs avant des voitures. Le type le plus courant est une cartouche cylindrique ou une cartouche polygonale remplie de mousse, comme illustré à la Fig. 1e. De nombreuses formes et modèles ont été réalisés pour cette boîte avec différentes techniques comme l'ajout de deux parties de mousse avec des tailles de cellules différentes où la mousse avec une grande taille face à l'impact puis mettre celle avec une taille moindre (Fig. 1f) pour améliorer l'absorption d'énergie en graduant le choc absorption. Le défi qui subsiste est le coût d'entretien des pièces impactées auquel s'ajoute le coût élevé de fabrication de ce bouclier aux dimensions limitées maîtrisées.

Certaines applications utilisées de la mousse d'aluminium (a) Pièces protégées par de la mousse dans l'automobile1, (b) Protection du châssis de la voiture par de la mousse, (c) Zone de crumble protégée par de la mousse dans les trains, (d) Boîtes de protection du pare-chocs avant de la voiture2, (e) Cylindrique et des boîtes de collision polygonales, et (f) des boîtes de collision avec deux parties en mousse avec des tailles de cellules différentes3.

Le matériau en mousse solide est classé en (1) matériaux naturels comme les os humains et animaux, l'os spongieux, l'os de seiche et le corail. (2) matériaux artificiels comme la mousse d'acier, la mousse d'aluminium et certains polymères cellulaires4. Les ACCFB ont été inventés à partir de composants traditionnels pour surmonter le coût de fabrication de la mousse pour les formes non uniformes et le coût de maintenance pour les formes uniformes. Les os sont le design optimal créé par de grands créateurs qui ont combiné des os compacts et des os spongieux. Il peut supporter des contraintes et absorber une énergie élevée pendant le mouvement. Ce qui est génial, c'est la distribution précise des dimensions des os qui sont considérés comme un groupe de blocs de tailles limitées, ce qui permet à chaque pièce d'appliquer sa fonction de manière simple.

Trois catégories ont été simulées par de la mousse d'aluminium avec différentes formes et distributions de dimensions pour le même volume (1) Blocs de phalanges des doigts où, dans des cas réels, lors de la collecte des phalanges des doigts en position de poinçon, les os pourront augmenter leur absorption d'énergie de 4 à 5 fois. (2) Blocs de colonne vertébrale qui permettent d'économiser des fils ou des câbles coûteux et peuvent contrôler l'angle de flexion en plaçant des entretoises flexibles entre les os de la colonne vertébrale qui simulent des disques en temps réel. La colonne vertébrale protège la moelle épinière des impacts malgré son mouvement flexible dans le corps. (3) Les blocs de conduit auditif sont également capables de protéger des câbles coûteux, comme les blocs de colonne vertébrale, mais avec des conditions égales autour de leur surface. La figure 2 montre la formation osseuse de la phalange des doigts, la photo et la coupe transversale de la colonne lombaire, le conduit auditif placé dans le crâne et sa coupe transversale et la coupe transversale de l'os du fémur. D'un point de vue mécanique, les muscles, les graisses et la peau sont considérés comme des matériaux amortissants où ils aident à réduire l'impact du stress sur les os.

(a) Anatomie de la main, formation osseuse de la phalange5, (b) Colonne vertébrale (vertèbres lombaires)6, (c) Structure et composants du conduit auditif6,7, et (d) Section avant de l'os du fémur7.

Des problèmes pourraient résulter du coût élevé de la production de mousse, de la maintenance et de l'isolation thermique élevée, ce qui est préjudiciable à certaines applications. Ainsi, les blocs sont faits pour simuler certaines idées d'os dans le squelette humain comme les os de la phalange des doigts, la colonne vertébrale (vertèbres) et les os du conduit auditif dans le crâne. L'idée de cette recherche est venue de la méditation sur les os du squelette où les os sont créés à partir de mousse de calcium (os spongieux) protégés par une couche de calcium dur (os compact) et parfois les os sont renforcés avec des os compacts à l'intérieur de leur partie en fonction de la fonction et des contraintes appliquées qui créé pour le supporter comme les os du conduit auditif et les os de la colonne vertébrale.

Les avantages de la mousse Al sont une absorption d'énergie élevée par déformation plastique, un excellent amortissement des vibrations, une isolation thermique et acoustique pour une densité supérieure à 400 kg/m3 et elle peut être recyclée. Les avantages des ACCFB sont les suivants : disponibilité des tubes sur le marché traditionnel par différents matériaux, tailles et épaisseurs également, la mousse peut être choisie en fonction de son type, de sa densité et de la taille des cellules. Les ACCFB sont constitués de mousse d'aluminium qui simule l'os spongieux et de petites pièces de tubes en aluminium pour simuler des boucliers osseux compacts. Les tubes Al ont des formes rectangulaires et circulaires pour les blindages extérieurs et les tubes circulaires de renfort intérieur avec des tubes de petits diamètres de 8 et 10 mm.

La mousse d'aluminium est un matériau composite défini comme un cas particulier de métaux poreux où une mousse solide provient d'une mousse liquide dans laquelle des bulles de gaz sont finement dispersées dans un liquide de tailles semi-égales. La densité relative du métal poreux (Prel) ne doit pas être supérieure à 70 %. La mousse métallique en commun peut arriver à 30%8. Notez qu'une densité plus élevée de la mousse signifie que la rigidité augmente et que la capacité d'absorption d'énergie sera réduite.

La mousse est définie comme un alliage amorphe en fonction de sa structure cristalline où les atomes n'ont aucune possibilité de former un réseau cristallin et de se solidifier de manière désordonnée en raison de la formation de bulles de mousse. Les cellules de mousse sont constituées de parois cellulaires, de bordures de plateau et de nœuds (voir Fig. 3). Paroi cellulaire : sépare deux bulles de gaz sur une longueur d'environ le diamètre de la bulle et présente une courbure beaucoup plus petite que la courbure moyenne des deux bulles. Généralement, l'épaisseur moyenne de la paroi cellulaire est beaucoup plus petite que le diamètre de la bulle. Bords du plateau : définis comme les intersections des murs. Nœuds : sont les jonctions d'au moins les quatre bordures du Plateau, nœuds formés lorsque les bordures du Plateau sont désordonnées et forment un réseau9.

(a) Mousse d'aluminium à cellules fermées produite par la voie des précurseurs avec TiH210 et (b) Composant de cellules de mousse.

Les données de fabrication et les propriétés de la mousse Al utilisée dans les ACCFB qui concluent le type, la composition chimique (matériau de base, matériau de renforcement, précurseur), la taille des cellules, la densité et la résistance à la compression à 70 % de déformation sont répertoriées dans le tableau 1. Pour s'assurer que tous les échantillons ont des propriétés égales tous les blocs ont été découpés dans une feuille de mousse d'aluminium d'une densité de 400 kg/m3 et d'une épaisseur de paroi comprise entre 0,2 et 0,23 mm. La figure 4 montre les procédures de production de mousse d'Al par fabrication : fusion d'une matrice d'aluminium pur à 680 °C, puis ajout d'un matériau épaississant (1,5 % en poids de Ca) et mélange avec de l'aluminium en fusion après ce transfert du mélange de fusion du four de fusion au four de moussage pour la viscosification et processus de moussage en ajoutant un agent moussant (1,6 % en poids de TiH2) et en le mélangeant avec une turbine rotative. La fonte se décompose sous l'influence de la chaleur et libère de l'hydrogène gazeux. En conséquence, la mousse se dilate et remplit le moule en 15 à 20 min. Une fois que le moule atteint la taille de cellule spécifiée, le processus de refroidissement commencera avec de l'air ou de l'eau après que la dalle sera prête à être sciée selon les dimensions requises11,12.

Procédures de fabrication de mousse Al à cellules fermées.

Les tubes en aluminium sont disponibles sur le marché traditionnel. Les dimensions sont répertoriées dans le tableau 2. La composition chimique et la désignation sont répertoriées dans le tableau 3, qui correspond à la norme DIN EN 755-2—AS/NZS 186613. La figure 5 montre la photo des tubes Al qui ont déjà utilisé.

Tubes creux en aluminium 6060.

ACCFB fabriqués à l'aide d'outils d'usinage (c.-à-d. Scie, limes, perceuse et marteau en caoutchouc) pour les pièces en mousse d'Al et les tubes les blocs ont été assemblés selon leurs dimensions conçues et un métal époxy adhésif a été utilisé aux extrémités des blocs pour confirmer que les pièces sont bien assemblées ensemble. En fait, il existe deux méthodes pour fabriquer des blocs, comme illustré à la Fig. 6. La première méthode consiste à usiner à la fois les pièces en mousse d'aluminium et en tube, puis à les assembler par martelage doux14. La deuxième méthode consiste à accumuler de la mousse à l'intérieur du profil des tubes en mélangeant d'abord un matériau de matrice métallurgique en poudre, un agent moussant (TiH2 ou ZrH) et des additifs (Mg, Si, … etc.) puis en effectuant un compactage à froid puis une extrusion à chaud à environ 400–480 ° C L'agent moussant devient ainsi uniformément réparti et intégré de manière étanche aux gaz dans la matrice métallique. Le processus d'extrusion est utile pour aider à briser les films d'oxyde à la surface des poudres métalliques, ce qui facilite la consolidation. Le produit peut être considéré comme un matériau précurseur, lui-même proche de la pleine densité mais facilement convertible en mousse. Cette conversion est affectée par un simple chauffage du précurseur à une température à laquelle l'alliage est liquide. L'agent moussant dégage du gaz, créant ainsi une mousse qui est stabilisée par de très fines particules d'oxyde uniformément réparties dans tout le précurseur après extrusion. Après fusion et moussage, le panneau en mousse est rapidement refroidi pour empêcher l'affaissement de la structure en mousse15. Bien que la deuxième méthode produise plus de blocs renforcés et soit moins chère en coût total de fabrication que la première méthode, elle est appropriée et plus fiable pour la production de masse et des pièces précises comme les prothèses. La première méthode est simple, générale et offre une variété d'utilisation où n'importe quel type de mousse peut être sélectionné avec les propriétés requises16, et la sélection de tubes de différentes dimensions est facile à faire par l'homme du commun avec un nombre de blocs limité en fonction des besoins.

Illustration schématique de la fabrication du tube rempli de mousse de (a) remplissage externe et (b) de remplissage interne en mousse.

Vingt échantillons d'ACCFB ont été fabriqués comme illustré à la Fig. 7. Douze d'entre eux ont été sélectionnés pour appliquer un test de compression latérale (quasi-statique) et comparer les résultats avec un bloc de mousse pur pour spécifier les valeurs d'amélioration. Les échantillons simulent quatre catégories d'os : bloc de mousse pure, phalanges des doigts, colonne vertébrale et conduit auditif de différentes formes (cube, parallélogramme et cylindrique) comme indiqué dans le tableau 4. Un test quasi-statique a été appliqué et toutes les données de la courbe ont été mises à l'échelle pour aire cm2.

Échantillons de blocs de mousse d'aluminium avec des tailles limitées.

Des tests de compression quasi-statiques ont été appliqués sur la machine d'essai universelle (WDW-300 KN, Chine). La vitesse d'essai était de 1 mm/min. Le test de compression de la mousse d'aluminium a été appliqué conformément à la norme "DIN 50,134:2008-10" de "Test des matériaux métalliques - Test de compression des matériaux cellulaires métalliques"20. Où la contrainte de compression (Ɛ) est égale au changement de longueur / longueur d'origine.

Tous les types de mousse d'aluminium dans les essais de compression quasi-statique ont des régions d'effondrement plastique à une déformation comprise entre 65 et 75 %. Cela dépend de la densité relative, de la taille des cellules et de la composition matérielle de la matrice de mousse. Ainsi, toutes les catégories ACCFB ont été testées à 70% de déformation. Il existe deux types de critères d'absorption d'énergie, qui sont la capacité d'absorption d'énergie spécifique (Es) et l'absorption d'énergie volumétrique (Edd). Es peut être défini comme l'énergie totale absorbée par unité de masse et c'est un indice de performance utilisé pour mesurer la capacité d'un matériau à absorber l'énergie d'une charge d'impact. Elle est définie comme le rapport de l'énergie maximale pouvant être dissipée par une unité de masse de mousse (mf) et Ea est décrite comme l'énergie potentielle d'absorption qui est égale à l'aire sous la "courbe contrainte-déformation"21,22.

La capacité d'absorption d'énergie peut également être exprimée en termes de résistance moyenne à l'écrasement de la mousse, (Sc), qui est définie en mousse : contrainte à laquelle commence l'effondrement plastique continu. Ainsi, sur une plage de déformation de la mousse. Es peut être calculé à l'aide des courbes contrainte-déformation produites par les essais, en supposant qu'une charge uniforme est obtenue.

où V est le volume du bloc de mousse (cm3), Vc est le volume comprimé du bloc de mousse (cm3), d est la déformation de la mousse, Vc/V (sans dimension), ρ est la densité de la mousse, (gm/cm3).

La densité de dissipation d'énergie statique des mousses (Edd) est un indice utile pour mesurer les propriétés d'absorption d'énergie de la mousse d'aluminium. Il s'agit de l'énergie maximale qu'une unité de volume de mousse peut absorber en raison d'un impact8.

Le volume des ACCFB a été choisi pour être de 1 pouce3 pour étudier la quantité d'absorption d'énergie due à la redistribution des dimensions sur différentes formes géométriques. Certains corps peuvent avoir un test d'impact sonore appliqué sur la zone affectée comme la résistance aux chocs des métaux solides ou des composites (c'est-à-dire le test Charpy ou les tests Izod) mais en absorption d'énergie réelle dans les matériaux en mousse définis généralement par Edd.

En fait, l'impact est défini en mécanique des matériaux comme une contrainte de flexion dynamique due à sa vitesse. Les blocs sont affectés par de nombreux facteurs tels que la répartition de la force appliquée sur la forme du bloc, la rigidité et la résistance des tubes, l'absorption d'énergie des tubes et de la mousse. sous test quasi-statique, la mousse sera comprimée tandis que les tubes seront exposés à des contraintes de flexion. Ainsi, le moment de la zone ne peut pas être le seul paramètre pour mesurer le comportement des contraintes sur le bloc, mais les dimensions de la forme, la rigidité, la résistance, la rigidité en flexion et l'effet de la position du tube de renfort (tube intérieur) contrôlent l'avortement énergétique des ACCFB. La limite minimale pour le volume des blocs est de 1/2 à 2/3 pouce3 en fonction de l'épaisseur et de la rigidité de son blindage où, sous cette limite, Edd sera réduit d'environ 20 %, donc si la taille du bloc devait être réduite à 1/2 pouce3, il est préférable de utiliser de la mousse deux fois la densité relative au moins pour être entre (24 à 30%). Cela augmentera la densité de la mousse et la masse du bloc et augmentera également la capacité d'isolation thermique de la mousse. Ainsi, la sélection du volume de bloc à 1 pouce 3 est optimale.

La courbe de compression de la mousse d'aluminium ci-dessous expose les régions de la courbe contrainte-déformation comme indiqué sur la Fig. 8. La région d'effondrement du plateau pourrait être spécifiée via (Sc) en appliquant l'équation. (4) ou (5). La courbe contrainte-déformation en compression de la mousse métallique comporte respectivement trois régions principales : la région élastique linéaire, la région plastique où le plateau s'effondre à son extrémité et la région de densification où la densité de la mousse augmente en raison de la destruction complète des cellules de la mousse. La première région (zone élastique linéaire) s'est produite à une petite déformation (2–3%). La deuxième région (déformation plastique) continue jusqu'à environ 70% de déformation. La troisième région (densification) se poursuivra jusqu'à l'état solide23.

Régions de la courbe contrainte-déformation de la mousse d'aluminium.

La figure 9 montre la courbe contrainte-déformation technique d'un cube de mousse d'aluminium pur. Il est clair que la limite d'élasticité est de 0,71 MPa tandis que la résistance à la compression est de 8,4 MPa (à une déformation de 70 %) et la résistance à l'écrasement (Sc) est de 4,53 MPa (à une déformation de 64,6 %) et l'absorption d'énergie (aire de compression sous la courbe) est Ea = 1,36 J et Edd = 21,25 J/pouce3.

Courbe contrainte-déformation d'un bloc de mousse d'aluminium pur (Pure—Sq.).

Les figures 10, 11, 12, 13 et 14 montrent la courbe de contrainte-déformation technique des blocs de phalange des doigts. Il semble clair que la limite d'élasticité du cube de mousse blindé avec un tube carré (bloc : FP - 0,1 Sq.) est la valeur la plus élevée (5,87 MPa) en raison de la résistance de la forme carrée à se déformer. tandis que la limite d'élasticité la plus faible est (0,43 MPa) pour le cylindre de mousse blindé avec tube circulaire (bloc : FP - 0,17 C30). Cela peut être attribué au grand diamètre de ce bouclier. De plus, il apparaît que la résistance à l'écrasement la plus élevée (Sc) est de (8,61 MPa) pour le cylindre en mousse blindé avec un tube circulaire (bloc : FP—0,17 C25) en raison de la petite taille du blindage et la plus faible (Sc) est de (5,54 MPa ) pour cylindre en mousse blindé avec tube circulaire (bloc : FP—0.17 C30) en raison de la grande taille du blindage où la résistance à la déformation est réduite, et le processus d'effondrement des cellules de mousse domine, cette résistance dépend de la forme des cellules, de l'épaisseur de la paroi, de la taille et distribution24.

Courbe contrainte-déformation du bloc de cube de la phalange des doigts (FP - 0,1 Sq.).

Courbe contrainte-déformation du bloc de parallélogramme de la phalange des doigts (FP = 0,1 Pa.).

Courbe contrainte-déformation du bloc-cylindres de la phalange des doigts (FP—0,17 C25).

Courbe contrainte-déformation du bloc-cylindres de la phalange des doigts (FP—0,075 C26.5).

Courbe contrainte-déformation du bloc-cylindres de la phalange des doigts (FP—0,17 C30).

La figure 15 montre le résumé des résistances au rendement, à l'écrasement et à la compression pour tous les blocs de phalange des doigts par rapport aux blocs de mousse d'aluminium pur. La densité de dissipation d'énergie (Edd) a été calculée pour tous les blocs de phalange des doigts à un volume de 1 pouce3. La figure 16 montre les valeurs de densité de dissipation d'énergie (Edd) pour un bloc de mousse d'Al pur et des blocs de phalange de doigt avec un volume de 1 pouce3. Qui ont été arrondis au nombre entier le plus proche. Ceci est défini facilement comme l'indice de ténacité pour les blocs où les valeurs proviennent de l'énergie absorbée qui est calculée par l'aire sous la courbe puis multipliée par le volume du bloc.

Les blocs de phalange des doigts résistent au rendement, à l'écrasement et à la compression par rapport au bloc de mousse Al.

Le bloc de mousse d'Al et la phalange des doigts bloquent l'indice de ténacité (énergie totale absorbée par pouce de volume3).

Le tableau 5 expose la longueur de déformation Edd à une déformation de 70 % et le pourcentage d'amélioration de l'absorption d'énergie des blocs par rapport aux blocs de mousse d'aluminium, où :

Les calculs de pourcentage d'amélioration semblent indiquer que la valeur la plus élevée pour le bloc FP-0.17 C25 de 91 % et la valeur la plus faible pour le bloc FP-0.075 C26.5 est inférieure à la valeur du bloc d'Al pur de 26 %. Les résultats montrent que l'absorption d'énergie (Edd) est proportionnelle à la résistance à l'écrasement (Sc) tandis que la résistance à la densification (Sd) est proportionnelle à la densité, la forme, les dimensions et l'épaisseur des tubes de protection des blocs. De plus, les tubes de forme rectangulaire et circulaire avec des tailles plus grandes aux mêmes épaisseurs seront plus faciles à rompre que les formes avec des tailles plus petites qui nécessitent une charge de compression élevée pour la rupture. Les tubes à paroi mince sont capables de se déformer plus facilement que les parois épaisses pour les tubes de même longueur25,26. Ainsi, le bloc FP-0.17 C25 a le Sc le plus élevé et le Sd le plus élevé tandis que le bloc FP-0.075 C26.5 a le Sc le plus bas et le Sd le plus bas.

Les figures 17, 18, 19 et 20 montrent les courbes de contrainte-déformation techniques des blocs Spine (vertèbres). Il semble clair que la limite d'élasticité du parallélogramme de mousse blindé avec tube rectangulaire et contenant deux tubes intérieurs décalés (bloc : SV8 - 0,1 Pa.) est la valeur la plus élevée (2,2 MPa) en raison de la résistance de la forme rectangulaire à se déformer. Alors que la limite d'élasticité la plus faible est (0,45 MPa) pour le cube de mousse blindé avec un tube carré et contenant un tube intérieur décalé (bloc : SV8—0,1 Sq.). Cela peut être attribué à la faible résistance du cube de mousse due à sa petite taille et à l'existence du tube intérieur. En outre, il est évident que la résistance à l'écrasement (Sc), la résistance à la compression et l'absorption d'énergie les plus élevées de 7,43 MPa, 21,7 MPa et 2,38 J, respectivement, concernent le cylindre en mousse blindé avec un tube circulaire (bloc : SV8—0,17 C25) en raison de la petite taille du bouclier et haute résistance du tube intérieur où il est comprimé jusqu'à environ 20% de déformation. La plus faible (Sc), résistance à la compression et absorption d'énergie de 4,02 MPa, 9,47 MPa et 1,48 J, respectivement, concerne le cylindre en mousse blindé avec tube circulaire (bloc : SV8—0,17 C30) en raison de la grande taille du blindage où la résistance à la déformation est réduit également à la déformation 70% la chambre à air ne sera pas comprimée. Ainsi, cette grande taille conviendra pour protéger des fils électriques coûteux.

Courbe contrainte-déformation du bloc de cube spine (SV8—0,1 Sq.).

Courbe contrainte-déformation du bloc Spine Parallelogram (SV8—0,1 Pa.).

Courbe contrainte-déformation du bloc-cylindres de la colonne vertébrale (SV8—0,17 C25).

Courbe contrainte-déformation du bloc-cylindres de la colonne vertébrale (SV8—0,17 C30).

La figure 21 affiche le résumé des résistances au rendement, à l'écrasement et à la compression pour tous les blocs de colonne vertébrale par rapport aux blocs de mousse d'aluminium pur. La densité de dissipation d'énergie a été calculée pour tous les blocs Spine à un volume de 1 pouce3. La figure 22 montre les valeurs de densité de dissipation d'énergie (Edd) pour un bloc de mousse d'Al pur et des blocs Spine d'un volume de 1 pouce3 qui ont été arrondies aux nombres entiers les plus proches.

Rendement des blocs de colonne vertébrale, résistance à l'écrasement et à la compression par rapport au bloc de mousse Al.

Bloc de mousse Al et indice de ténacité des blocs Spine (énergie totale absorbée par volume inch3).

Le tableau 6 expose l'Edd avec une longueur de déformation à une déformation de 70% et un pourcentage d'amélioration des blocs par rapport au bloc de mousse d'aluminium en absorption d'énergie, en appliquant l'Eq. (7). Les calculs de pourcentage d'amélioration semblent indiquer que la valeur d'amélioration la plus élevée pour le bloc SV8-0.17 C25 est de 67 % et la valeur la plus faible pour le bloc SV8-0.17 C30 de 14 %. Les résultats montrent que Edd est proportionnel à Sc tandis que la force de densification (Sd) est proportionnelle à la forme, aux dimensions et à l'épaisseur des tubes de protection des blocs. Ainsi, le bloc SV8-0.17 C25 a le Sc le plus élevé et le Sd le plus élevé tandis que le bloc SV8-0.17 C30 a le Sc le plus bas et le Sd le plus bas en raison de son grand diamètre de tube de protection. Le bloc rectangulaire SV8-0.1 Pa est le meilleur choix car il a la capacité de faire passer deux fils à travers ses chambres à air pour éviter les chocs et a une bonne absorption d'énergie.

Les figures 23, 24 et 25 montrent la courbe technique de contrainte-déformation des blocs de conduit auditif. Il semble clair que la limite d'élasticité et la résistance à l'écrasement du cube de mousse blindé avec des tubes carrés et contenant des tubes intérieurs au centre (bloc : EC8 - 0,1 Sq.) est la valeur la plus élevée de 1,16 et 5,3 MPa, respectivement. Alors que la limite d'élasticité, la résistance à l'écrasement, la résistance à la compression et l'absorption d'énergie les plus faibles de 0,42 MPa, 3,21 MPa, 4,46 MPa et 0,96 J, respectivement pour le cylindre en mousse blindé avec un tube à paroi mince qui contient le tube intérieur au centre (bloc : EC8 —0,075 C26,5). Cela peut être attribué à la faible résistance des tubes à paroi mince et à la répartition des cellules de mousse en forme de cylindre avec des pores de 8 mm au milieu, ce qui réduit sa résistance à la compression.

Courbe contrainte-déformation du bloc Ear Canal Cube (EC8—0.1 Sq.).

Courbe de contrainte-déformation du bloc du canal auditif (EC8—0,075 C26.5).

Courbe contrainte-déformation du bloc du conduit auditif (EC8—0,17 C30).

La figure 26 montre le résumé des résistances à l'élasticité, à l'écrasement et à la compression pour tous les blocs de conduit auditif par rapport aux blocs de mousse d'aluminium pur. La figure 27 affiche les valeurs de densité de dissipation d'énergie (Edd) pour le bloc de mousse d'Al pur et les blocs de conduit auditif d'un volume de 1 pouce3 qui ont été arrondis au nombre entier le plus proche.

Les blocs de conduit auditif résistent au rendement, à l'écrasement et à la compression par rapport au bloc de mousse Al.

Bloc de mousse Al et indice de ténacité des blocs de conduit auditif (énergie totale absorbée par volume inch3).

Le tableau 7 expose l'Edd avec une longueur de déformation à une déformation de 70% et un pourcentage d'amélioration des blocs par rapport au bloc de mousse d'aluminium en absorption d'énergie, en appliquant l'Eq. (7). Les calculs de pourcentage d'amélioration semblent indiquer que la valeur d'amélioration la plus élevée pour le bloc EC8-0.1Sq de 12 % et la valeur la plus faible pour le bloc EC8-0.075 C26.5 est inférieure à la mousse Al pure de 33 %. Les résultats montrent que Edd est proportionnel à Sc tandis que la force de densification (Sd) est proportionnelle à la forme, aux dimensions et à l'épaisseur des tubes de protection des blocs. Ainsi, le bloc EC8-0.1Sq a le Sc le plus élevé et le second disposé pour le Sd le plus élevé, cela fait référence à sa forme carrée qui résiste à la force de compression par une zone projetée uniforme, cela signifie qu'il doit augmenter la charge pour se déformer malgré sa paroi mince bouclier donc son pourcentage d'amélioration est relativement faible. Alors que le bloc EC8-0.075 C26.5 a le Sc le plus bas et le Sd le plus bas en raison de son tube de protection à paroi mince, de sa longueur relativement petite et de sa forme circulaire.

Enfin, de nombreux paramètres contrôlent le mécanisme de déformation des blocs sous test quasi-statique qui affecte les valeurs d'absorption d'énergie telles que la forme du bouclier, l'épaisseur et le type de matériau. En outre, le matériau en mousse, la distribution de la forme et des dimensions, la taille des cellules, la densité de la mousse et le composant de la mousse et sa composition. Simplement tous les échantillons susmentionnés peuvent être conclus dans un tableau pour enregistrer les propriétés d'absorption d'énergie nécessaires pour différentes applications : absorption d'énergie par volume 1 pouce cube (Edd) à 70 % de déformation et masse. Le tableau 8 expose les propriétés de tous les blocs Hauteur de déformation à 70 % de déformation, de masse et d'absorption d'énergie pour chaque bloc.

L'idée principale des ACCFB est leur flexibilité d'utilisation et leur entretien facile là où les pièces consommables peuvent être collectées dans les trois catégories principales comme l'illustre la Fig. 28 (1) Modèle de blocs similaires qui se compose d'un type de bloc, (2) Modèle multi-blocs composé de différents types de blocs, (3) le modèle de blocs combinés se compose d'autres composants plus des blocs comme des tranches de mousse à mémoire de forme ou de silicone, des manchons en caoutchouc ou une cartouche métallique. En fait, le facteur de déformation par expansion doit être pris en compte lorsque les tubes de protection se déforment et se dilatent en largeur de 115 à 140 % selon la forme du tube tandis que la mousse se dilate dans toutes les directions en raison de l'impact légèrement d'environ 105 %.

Catégories de modèles ACCFBs (a) similaires, (b) multi blocs, (c) combinés.

L'absorption d'énergie totale des motifs peut être estimée facilement à une déformation de 70 %, mais deux paramètres doivent être spécifiés en plus de l'aire du motif d'énergie et de la masse totale. Exemple de l'estimation de l'absorption d'énergie totale du schéma de la Fig. 28b en se référant au Tableau 8 pour les calculs du Tableau 9.

Les résultats de l'absorption d'énergie totale du motif sont de 813 J si tous les blocs ont été remplacés par une partie de mousse d'aluminium réduiront cette surface de moitié mais en réalité, cela donnera un Edd total = 756 J et la masse diminuera d'environ 35% par rapport à modèle. Sérieusement, il y a quelques défis auxquels sont confrontés les panneaux en mousse d'aluminium dans les applications où la mousse est également un bon isolant pour la chaleur, ne peut pas passer de câbles ou de fils à travers elle, ce qui limite l'utilisation de grandes parties de mousse dans les véhicules, en particulier pour les zones étendues qui nécessiteront une grande quantité de De plus, les panneaux sont valides pour recevoir des impacts dans un seul plan, ce qui signifie couvrir deux plans (c'est-à-dire XZ, YZ) ou un impact oblique nécessitera deux surfaces qui refléteront la quantité de mousse nécessaire. De plus, la mousse en tant que pièce solide (non flexible) ne convient pas aux formes non uniformes qui entraînent des processus coûteux comme le moulage ou l'usinage précis.

La figure 29 expose l'évaluation des types de collision et son pourcentage27. Les figures 30, 31, 32 illustrent les types de modèles combinés développés par l'équipe de recherche où la mousse à mémoire de polyuréthane (PU-220) avec une densité de 220 kg/m3 a été utilisée comme matériau de rembourrage et d'absorption d'énergie. Les propriétés d'efficacité d'amortissement maximales lors d'un essai quasi statique étaient Edd = 0,13 J/cm3 (2 J/in3), déformation de 57 %, contrainte de compression de 0,44 MPa, retour d'énergie de 39 %28. Il est conçu pour s'adapter à la plupart des véhicules en tenant compte des défis susmentionnés.

Évaluation des types de collisions par la société Volkswagen présentée en 1993.

Tubes remplis par des blocs (a) tube carré en une partie, (b) tube carré en deux parties (forme en C + entretoise plate).

Modèle flexible (a) Brin pour les formes non uniformes, (b) blindage flexible pour protéger les fils comme la fibre optique.

(a) Travail de modèle dans deux directions (b) Travail de modèle dans deux plans.

La figure 30 expose des exemples de deux modèles de tubes remplis qui dépendent de l'utilisation de la valeur la plus élevée d'absorption d'énergie pour le bloc de la phalange des doigts (FP-0.17 C25) avec du PU-220 comme matériau de rembourrage pour faire un léger amortissement et absorber l'énergie et rendre le blocage facile dans et facile à fixer. Après avoir fixé le bloc dans le PU-220 qui a une forme carrée avec une longueur de segment de 28 mm, le bloc placera 4 pièces d'une longueur totale de 128 mm dans un bidon ou un tube de dimensions 160 × 30 × 30 mm3 et d'épaisseur 1 mm. Beaucoup de formes différentes de canisters ou de tubes qui peuvent être constitués de 1 partie de tube ou de 2 parties assemblées. La longueur du tube et le nombre de blocs utilisés et le bouclier PU-220 peuvent être sélectionnés en fonction de la longueur ou de l'application requise. Cette pièce de tube remplie convient aux seuils de voiture, aux pare-chocs avant et arrière, aux cadres de bus et aux camionnettes. Il est facile pour l'homme du commun de le produire et de le réparer. Il est facile de calculer l'absorption d'énergie totale, la masse et la surface de cette pièce après conception. Ce tube rempli Edd équivaut à deux fois Edd de mousse Al pure.

La figure 31 montre des exemples de deux modèles flexibles, l'un pour les formes non uniformes et l'autre pour protéger les fils coûteux. Le premier est conçu pour pouvoir prendre n'importe quelle forme de profil et différents blocs peuvent être utilisés et peuvent également être recouverts par des brins de courroie ou adhésifs avec des brins de chaîne pour les applications lourdes. La seconde, dont les fils de garde comme l'angle de flexion de la fibre optique, pourrait être contrôlée par une entretoise flexible en PU-220 ou en silicone souple en utilisant une contrainte maximale pour estimer l'angle de flexion, couvre également l'étirement du matériau doit être calculé pour éviter de dépasser l'angle de flexion critique.

La figure 32 montre des exemples de deux modèles d'effet à double mouvement, le premier est conçu pour traiter avec un impact oblique où il est capable de travailler dans deux directions gauche et droite avec une grande efficacité en utilisant la capacité de tous les blocs à absorber l'énergie. Le second est conçu pour améliorer l'efficacité de l'absorption d'énergie en absorbant l'énergie dans deux plans perpendiculaires. Ils conviennent aux véhicules protégés de grande masse (par exemple, les camionnettes et les camions) ou aux véhicules lents pour les travaux lourds et susceptibles de se renverser ou de heurter en raison de leur travail dans des zones limitées comme les chariots élévateurs. Les motifs peuvent être pris en charge avec des blocs supplémentaires dans leurs espaces, mais cela fonctionnera également dans une direction ou un plan, le refroidissement ne doit pas être envisagé pour les équipements où plus de mousse signifie plus d'isolation thermique.

Enfin, les propriétés des ACCFB peuvent être adaptées grâce à la sélection des matériaux pour les dimensions et la densité des tubes de mousse métallique et de blindage, mais doivent prendre en considération pour les blocs et les motifs les potentiels de corrosion des matériaux afin d'éviter la corrosion, le transfert de chaleur, le milieu de travail et la meilleure répartition des blocs dans le motif. pour tirer le maximum d'avantages pour la masse, l'absorption d'énergie et la surface couverte.

L'absorption d'énergie des blocs de mousse d'aluminium a été améliorée grâce à son blindage par des tubes de mousse d'aluminium traditionnels.

Le diamètre du tube intérieur ne doit pas dépasser 1/3 de la hauteur ou du diamètre du bloc pour conserver les propriétés de la mousse en tant que propriétés principales pour l'absorption d'énergie.

Bloc sélectionné pour avoir un volume conçu optimal de 1 pouce cube pour s'adapter à tous les types de mousse, également pour être facile à comparer avec les dimensions et l'absorption d'énergie d'autres blocs.

Chaque bloc a sa valeur d'absorption d'énergie et de force d'impact qui offre une variété d'utilisation dans différentes applications, en particulier pour les véhicules.

La résistance à la compression est directement proportionnelle à l'absorption d'énergie.

La valeur la plus élevée pour l'absorption d'énergie appartient aux formes cylindriques à paroi épaisse avec de petits diamètres (25 mm, t = 1,7 mm) tandis que la valeur la plus basse appartient aux formes cylindriques à paroi mince (26,5 mm, t = 0,75 mm) qui est inférieure au cube de mousse Al d'environ 30 %.

La force d'impact la plus faible appartient aux formes circulaires à paroi mince et la plus élevée appartient au bloc de parallélogramme de la phalange des doigts. Les meilleures propriétés appartiennent aux blocs à paroi épaisse circulaire de grand diamètre (30 mm, t = 1,7) où il a une absorption d'énergie élevée et une énergie d'impact relativement faible.

La force d'impact peut être utilisée comme indice pour sélectionner des blocs où le bloc a une force d'impact élevée peut être utilisé comme protection pour les fils coûteux comme les blocs de la colonne vertébrale et du conduit auditif tandis que le bloc a une faible force d'impact conviendra pour absorber l'énergie en grande quantité, ce qui convient pour le blindage contre les impacts.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

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Université Helwan, Le Caire, Égypte

Mohamed H. Dadoura

Institut central de recherche et de développement métallurgique, Le Caire, Égypte

Ahmed Ismaïl Zaky Farahat

Faculté d'ingénierie, Université du Caire, Le Caire, Égypte

Monsieur Taha

Institut Tabbin d'études métallurgiques, Le Caire, Égypte

Ramadan N.Elsher

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Conceptualisation, MH Dadoura, AI Farahat, MR Taha et RN Elshaer ; méthodologie, MH Dadoura, AI Farahat et RN Elshaer ; validation, MH Dadoura, AI Farahat et RN Elshaer ; analyse formelle, MH Dadoura et RN Elshaer ; enquête, MH Dadoura, et RN Elshaer ; ressources, MH Dadoura et AI Farahat ; conservation des données, MH Dadoura, AI Farahat et RN Elshaer ; rédaction de l'ébauche originale, MH Dadoura, AI Farahat, MR Taha et RN Elshaer ; rédaction-révision et édition, MH Dadoura, AI Farahat, MR Taha et RN Elshaer ; visualisation, MH Dadoura, AI Farahat et RN Elshaer ; supervision, MH Dadoura, AI Farahat, MR Taha et RN Elshaer. Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

Correspondance à Mohamed H. Dadoura ou Ramadan N. Elshaer.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Dadoura, MH, Farahat, AIZ, Taha, MR et al. Amélioration de la résistance à la compression quasi-statique pour les blocs de mousse à cellules fermées en aluminium protégés par des tubes en aluminium. Sci Rep 13, 6929 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33750-7

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Reçu : 11 février 2023

Accepté : 18 avril 2023

Publié: 28 avril 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-33750-7

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