多孔金属及其夹芯结构力学性能的研究进展

高孔隙率多孔金属及其夹芯复合结构是一种物理功能与结构一体化的新型、轻质高强材料/结构,具有高比强度、高比刚度和优良的吸能和缓冲性能等多种功能,引起了学术界和工程界众多研究者的极大关注. 本文概述了轻质多孔金属及其夹芯结构的制备方法、多功能特性及其应用,介绍了多孔金属夹芯结构元件(梁、板、壳)遭受准静态和动态冲击载荷下的理论、实验和模拟方面的国内外研究现状,分析和讨论了多孔金属及其夹芯结构力学行为研究中的研究手段和基本问题,重点关注了多孔金属夹芯结构的变形/失效、动态响应和能量吸收.     

基于分形的泡沫金属细观结构与尺寸效应研究

提出采用分形理论对泡沫金属的细观结构及尺寸效应进行研究的方法. 针对一系列具有不同相对密度和细观结构的泡沫铝,证明了其细观结构在一定尺度内符合分形特征,比较了小岛分维、计盒分维和信息分维等算法对泡沫金属分形表征的适用性,分析了细观结构特征对分维的影响. 结合推广的Sierpinski垫片模型研究了泡沫铝的屈服强度与分维的联系,建立了泡沫铝屈服强度的尺寸效应模型. 研究结果表明,由于引入了表征细观结构特征的分形维数,该模型除能表征屈服强度随试样尺寸的变化规律外,还在一定程度上直接反映了泡沫金属细观结构特征对力学性能的影响.      

基于表面效应三维纳米多孔金属力学性能的有限元分析

纳米多孔金属是一类包含大量纳米尺度孔洞的金属材料, 孔洞突出的表面效应, 使得其具有比传统多孔金属更为优异的力学性能. 相对于理论和分子动力学仿真, 有限元方法更适用于复杂结构模型, 但受限于理论难度, 以往研究仍将纳米多孔金属模型简化为较为简单的二维结构, 因此无法真实刻画纳米多孔金属的力学性能. 为此, 基于Gurtin-Murdoch表面理论, 成功构建计入纳米表面效应的有限元表面单元, 并考虑微观结构非均匀性, 发展面向一般三维纳米多孔金属力学行为的有限元计算模型, 将计算得到的纳米孔附近应力分布与参考文献进行对比分析, 验证了所构建有限元模型的有效性. 通过对包含单球孔和随机多球孔的纳米多孔金属进行单轴拉伸和单轴压缩模拟, 揭示了孔隙率、孔洞数量和表面参数对纳米多孔金属杨氏模量、压缩屈服强度和吸能性的影响规律. 结果表明: 所构建的有限元模型可准确捕捉纳米孔附近应力分布, 相对于表面拉梅常数, 纳米多孔金属的杨氏模量显著依赖于孔洞表面残余应力和加载方向. 所构建的有限元模型为纳米多孔金属力学性能预测提供科学依据.     

多孔金属夹层板在冲击载荷作用下的动态响应

借助两种有限元软件ABAQUS和LS_DYNA, 模拟和分析了两种厚度不同的泡沫铝合金夹层板(三明治板)、方孔蜂窝形夹层板和波纹形夹层板在冲击载荷下的动态响应. 4种夹层板的单位面积密度相同,冲击载荷分别用泡沫铝子弹与不锈钢子弹模拟. 讨论了泡沫金属夹层板和格构式夹层板在不同冲击载荷作用下的变形机制,重点在于对夹层板的吸能特性及板内各部分吸能变化规律的探讨.研究结果表明: 在泡沫子弹冲击下,夹层板主要是通过自身变形来消耗子弹动能,并转化为自身内能. 厚度为22,mm的泡沫金属夹层板吸收能量最多,底面变形最小,是结构性能最优的夹层板;在刚性子弹高速冲击穿透过程中,格构式夹层板的吸能性能比单位面积密度相同的泡沫金属夹层板的吸能性能更好. 波纹形夹层板的能量吸收能力在4种板中最高.      

铝合金泡沫金属夹层板自冲铆接头力学性能研究

对AA5052铝合金泡沫金属夹层板进行自冲铆接试验,对接头的可连接性进行探究。通过静力学试验对比各组接头的静力学性能,分析不同种类泡沫金属对自冲铆接头力学性能的影响;用扫描电子显微镜对接头典型断口进行研究,分析其微观失效机理。结果表明:自冲铆技术可以实现泡沫金属夹层板的有效连接,接头具有良好的成形质量;泡沫金属夹层提高了自冲铆接头的静力学性能,其中泡沫镍夹层使AA5052自冲铆接头静失效载荷提高了4.1%;夹层板自冲铆接头失效形式均为铆钉与下板分离,其中泡沫铁镍夹层自冲铆接头下板铆扣断裂区域粘附在铆钉脚底部,为韧性断裂机制;下板内锁区域失效时铆钉与下板发生剧烈刮擦,呈现具有分层现象的片状组织。     

形状因子变化时金属橡胶结构的静态力学性能分析

以多孔材料理论为基础,干摩擦非线性理论为依据,并结合小曲梁模型建立了金属橡胶结构的力-位移关系模型,通过空心圆柱形金属橡胶结构的静态试验,对试验数据进行了拟合,得到了力-位移模型中的各项系数与形状因子的变化关系式,同时建立了金属橡胶结构的力学特性与结构参数的变化关系,从而实现了对金属橡胶结构在密度一定、形状因子发生变化情况下的力-位移关系的预估,最后从十三种试件以外取两种形状因子不同的金属橡胶试件进行算例验证,证明本文采用的方法的可靠性,并对这两种试件的应力应变曲线进行比较,为进一步研究金属橡胶材料奠定了理论基础.     

牙科用抗菌性金属烤瓷材料的摩擦磨损性能研究

采用口腔烤瓷制作工艺制备出添加和未添加抗菌剂的牙科用金属烤瓷材料,考察了2种金属烤瓷材料的力学性能,在Optimol SRV型摩擦磨损试验机上评价2种金属烤瓷材料在人工唾液润滑条件下与3种常用牙科修复材料对摩时的摩擦磨损性能.结果表明,添加质量分数为2%的抗菌剂,可以提高金属烤瓷材料的显微硬度、弯曲强度和断裂韧性,同时改善金属烤瓷材料的摩擦磨损性能,其磨损机理与偶件材料相关.含LZB-GC抗菌剂的金属烤瓷材料是临床应用中较为理想的牙科材料.     

采用改进的SHPB方法对泡沫铝动态力学性能的研究

本文改进了传统的分离式霍布金森压杆(SHPB)技术,采用夹在透射杆中的PVDF压电计直接测量透射杆中的应力时程．同时,采用输入波形整形技术,通过调整加载波形,使试样加载过程中保证均匀变形及应力平衡．利用此改进了的SHPB技术对泡沫铝进行了高应变率下的动态压缩实验．实验结果表明：泡沫铝的动态应力应变曲线具有泡沫材料的应力应变曲线的“三阶段”特征(elastic region,collapse region and densification region),并且应变率对其力学性能影响明显．     

组合型多孔材料对容器管道系统内甲烷/空气的抑爆效果

为研究多孔材料对可燃气体的抑爆效果,选取了3类6种多孔材料分别组合后进行实验研究。以甲烷/空气预混气体作为研究对象,利用自制薄型铁环将多孔材料固定在密闭容器管道系统内,对比分析了薄型铁环、单层型多孔材料、双层组合型多孔材料和三层组合型多孔材料的抑爆效果。结果表明:薄型铁环增强了气体爆炸强度,铁环后爆炸压力最大;多孔材料抑爆效果明显,双层组合型多孔材料抑爆效果相比单层型多孔材料和三层组合型多孔材料稳定;抑爆效果最佳的组合型多孔材料为Al₂O₃ 10 mm/30 PPI+SiC 20 mm/20 PPI,爆炸压力抑制效果最佳的组合型多孔材料为Al₂O₃ 10 mm/30 PPI+Fe-Ni 10 mm/90 PPI+SiC 20 mm/10 PPI。     

界面裂纹问题中的弹性T项和应力强度因子

研究两相材料有限板含单边界面裂纹的断裂力学特性,对不同的材料组合用广义变分法分析了不同尺寸试件和裂纹长度下的应力强度因子和弹性T项,讨论了材料特性对应力强度因子和弹性T项的作用．分析了试件尺寸和裂纹长度对应力强度因子和弹性T项的影响．     

Development of a portable shear test fixture for low modulus porous (foam) materials

The shear properties of brittle and highly porous carbon (graphitic) foam cannot be measured reliably with most standard test methods, such as single rail, double rail, Iosipescu shear, etc. A new testing device has been developed to accurately measure the shear stiffness and strength of carbon foam or other porous materials. Specimens of cylindrical cross section are used to reduce the high stress concentration that normally occurs in the vicinity of the grip section. Since strain gages could not be installed on the specimen surface (due to porosity), the shear strain is determined from the specimen end rotation. A high resolution in the rotational measurement is achieved by using a stepper motor with multiple gear reduction. In view of testing low modulus material, the load cell of the fixture was mounted onto an axial roller to relieve the axial constraint while twisting the specimens. The accuracy of the measurement and calibration of the test fixture has been demonstrated by measuring the shear modulus of two plastic (polyvinyl chloride (PVC) and urethane).     

爆炸载荷下聚氨酯泡沫材料中冲击波压力特性

采用间接测压法,对爆炸载荷作用下聚氨酯泡沫材料中的冲击波压力特性进行了研究。结果表明,在装药特性相同的爆炸载荷作用下,聚氨酯泡沫材料中的初始冲击波压力随初始孔隙度增大而显著下降;冲击波传播衰减效应受初始孔隙度影响同样显著,但不呈单一加快或减慢趋势;当初始孔隙度在０．２５左右时,聚氨酯泡沫材料对爆炸载荷具有较强的抗冲击减压效能。     

泡沫材料准静态力学性能实验研究

利用INSTRON-1185型万能材料试验机在准静态加载环境下对不同密度的聚氨酯泡沫的抗压、抗拉及抗弯性能进行了较系统的实验研究,分析了聚氨酯泡沫材料的力学性能及吸能特性随表观密度的变化规律.研究表明,聚氨醋泡沫材料的杭压性能优于其杭拉性能,该材料具有良好的吸能特性,且其吸能特性随密度的增大而提高.     

超声波对金属材料性能影响实验研究

通过对紫铜和低碳钢在超声波作用下材料特性的实验研究,探讨此类材料的一些特殊表现诸如屈服点降低,硬化率降低和延伸率降低等．建立了一套超声波材料拉伸实验系统,给出材料特性变化的实验数据并对这些特殊现象的形成机理进行初步探讨．给出了韧性金属材料在超声波作用下的本构方程,并与实验结果相比较,结果表明理论分析与实验结果一致     

低密度开孔泡沫材料力学模型的理论研究进展

开孔泡沫材料主要用于隔音、减振和填充方面，对其力学行为进行理论描述，探讨力学性能与密度及复杂微结构的关系具有十分重要的学术价值和工程意义．为了促进国内泡沫材料力学的发展和交流，文中对低密度开孔泡沫材料力学模型的研究历史进行了简要回顾，重点介绍了能较好地反映开孔泡沫材料真实胞体结构特点的十四面体胞体模型和随机胞体模型，并报道了近年来基于十四面体胞体模型和随机胞体模型研究低密度开孔泡沫材料力学行为的一些理论工作、同时，也对国内的一些相关研究情况进行了简要评述，指出了该领域今后的一些研究方向．     

负泊松比材料与结构的力学性能研究及应用

本文综述了负泊松比材料与结构研究的发展过程,包括负泊松比材料拉伸膨胀理论研究、天然和人工制备负泊松比材料与结构的力学性能研究、负泊松比材料与结构的制备以及其在各个领域的广泛应用,并对未来负泊松比材料与结构的力学性能研究及应用进行了展望.      

基于MJF的极小曲面结构力学行为及吸能特性研究

极小曲面结构是一种表面连续光滑的曲面多孔结构,具有低密度、高强度以及优良的减震吸能等特性,在航空航天、汽车工业、机械装备等领域的结构轻量化设计方面,具有广泛的应用前景.本文采用多射流熔融(MultiJet Fusion,MJF)增材制造技术,结合参数化建模方法,以尼龙PA12为原料制备了体积分数同为20％的3种极小曲面多孔结构(G曲面、P曲面、D曲面).利用准静态压缩试验和数值模拟,分析了不同极小曲面结构的力学响应和吸能特性.研究发现:在力学响应方面,3种极小曲面的平台名义应力分别为4.0 MPa、2.1 MPa和4.75 MPa,明显高于相同体积分数下BCC点阵结构的平台名义应力(2.0 MPa),具有更好的承载能力;在吸能方面,G曲面、P曲面和D曲面的单位体积吸能量近似可达BCC点阵结构的7倍、4倍、8倍.综上所述,与传统BCC点阵结构相比,MJF增材制造工艺制备的极小曲面结构能够更好的分散压力,减少应力集中,表现出优异的力学性能和吸能特性,具有非常好的应用前景.     

高温高声压下多孔金属材料吸声特性研究

在多孔金属材料的湍流统计理论的基础之上, 考虑温度高声压对多孔材料声学参数的影响, 得到适用于高温高声压条件下多孔金属材料的分析模型. 计算了不同温度和不同声压级条件下声压幅值与金属纤维直径、孔隙率等物理参数的关系. 研究发现其他参数不变, 在高温条件下, 随温度升高多孔金属材料的声压幅值增大; 在高声压条件下, 随着声压的升高多孔金属材料的声压幅值增大. 所得理论结果与已有的实验中的规律符合良好,为多孔金属材料在高温、高声压条件下的减振降噪设计提供了理论基础.     

超轻多孔金属材料的多功能特性及应用

超轻多孔金属是近年来随着多样化需求的材料制备以及机械加工技术的迅速发展而出现的一类新颖多功能材料, 是材料的选择及其性能研究的新课题. 本文介绍有关多孔金属材料与结构基础研究的国内外研究现状和发展趋势, 涉及材料制备、性能表征等方面, 着重于探讨多孔金属的多功能复合特性及其在国民经济和高技术中的应用.