基于十四面体模型的闭孔泡沫材料动态力学性能的有限元分析

应用有限元方法分析了基于十四面体模型的三维闭孔泡沫材料的动态力学性能。计算中所有十四面体具有相同的尺寸,主要研究了不同初始冲击速度、不同相对密度以及组成泡沫的机体材料的应变强化对泡沫材料的变形模态、平台力及密实化应变能的影响,尽可能全面地描述了泡沫材料的能量吸收特性。数值结果表明:冲击速度对泡沫模型的模态影响较大,特别受到高速冲击时,冲击端泡沫形成I形然后向支撑端传播;相对密度对能量吸收能力的贡献较大,密实化应变能随相对密度呈二次曲线变化;冲击速度、相对密度及机体材料的应变强化分别与坪应力呈线性关系。     

冲击载荷下径向密度排布对泡沫金属力学性能影响的研究

参照层状密度梯度泡沫模型实现方法,利用3D-Voronoi技术设计了新型径向密度梯度泡沫模型,并用有限元软件,对它在不同冲击载荷下的力学行为进行数值模拟。研究冲击速度、密度梯度和平均相对密度对金属泡沫冲击端、支撑端应力和能量吸收能力的影响,发现:径向正梯度泡沫与层状正、负梯度泡沫相比,其两端的应力值均较小,可同时保护冲击端、支撑端物体;径向负梯度泡沫两端应力变化幅度较小,能够保证物体受力稳定;几种泡沫金属的能量吸收能力在不同冲击速度下发生交替变化。对于径向梯度泡沫,能量吸收能力对密度梯度大小不敏感,对梯度方向敏感,径向负梯度泡沫的能量吸收能力始终大于径向正梯度泡沫;平均相对密度越大,径向正、负梯度泡沫两端应力越大、吸能效果越好。     

闭孔泡沫金属变形模式的有限元分析

运用有限元软件ABAQUS/Explicit模拟了三维Voronoi闭孔泡沫金属在不同的冲击速度下的变形行为。随着冲击速度的提高,得到了3种变形模式:准静态均匀模式、过渡模式和冲击模式,并以相对密度和冲击速度为坐标建立了变形模式图。引入应力均匀性指标和变形局部化指标,确定了模式转化的临界速度,并与已有的冲击速度预测公式进行了比较。根据临界速度的数值和理论结果,提出了一种确定锁定应变的方案,结果介于压实应变和完全密实应变之间。     

具有恒定冲击载荷的梯度泡沫金属材料设计

多胞材料可通过大变形大量地吸收冲击能量,引入密度梯度可进一步提高其耐撞性。梯度多胞材料的宏观力学响应对材料密度分布极为敏感,不同类型的细观构型的影响也极为不同。已有的研究工作主要局限在对给定的密度梯度分析其动态响应,较少对耐撞性设计方法进行研究。本文针对梯度闭孔泡沫金属材料,基于非线性塑性冲击波模型发展了耐撞性反向设计方法,以维持冲击物受载恒定为目标,运用级数法获得了简化模型和渐近解。利用变胞元尺寸法构建了连续梯度变化的三维Voronoi细观有限元模型,并利用ABAQUS/Explicit有限元软件对理论设计进行数值验证。结果表明,反向设计理论简化模型的渐近解对于梯度闭孔泡沫金属材料的耐撞性设计是有效的,所提出的耐撞性设计方法在控制冲击吸能过程和冲击物受载方面具有指导意义。     

高速冲击载荷下梯度金属泡沫夹芯梁的动态响应与失效

采用泡沫弹冲击加载实验对梯度金属泡沫夹芯梁结构开展了不同冲击强度下的动态响应和失效研究,分析了由三种不同密度泡沫铝组成的等面密度的五种不同梯度的夹芯结构在夹支边界条件下的抗高速冲击性能,结合三点弯曲实验,研究梯度效应对夹芯结构抗冲击性能的影响。研究表明：密度梯度对结构的失效过程和失效模式有着明显的影响,且夹芯梁结构的初始失效模式对结构整体响应和主要的能量吸收机制起着主导作用;当冲击条件不足以使得均质芯材发生压缩时,均质及负梯度夹芯结构初始失效模式为整体弯曲变形,低强度芯层位于前两层的梯度结构随着冲击强度的变化出现不同程度的局部芯层压缩;当冲击强度较低时,梯度结构通过丰富的局部失效表现出明显优于均质结构的抗冲击变形能力;当冲击强度大于临界值时,均质结构具有更好的抗冲击变形能力。通过合理地设计密度梯度实现逐层压缩吸能,能够有效的提升防护结构的抗冲击性能。     

多孔材料吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性

多孔材料是一种优异的吸能缓冲材料,但由于其变形模式的非单一性以及动态应力应变曲线的难获取性,其吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性关系还并不完全明朗。本文基于不需要提前作本构假定的波传播法,开展了多孔材料的吸能行为研究。采用多孔材料的细观有限元模型进行Taylor冲击虚拟实验,获取全场质点速度时程曲线,结合Lagrange分析法得到多孔材料的局部应力应变信息,进而探讨了动态吸能性能对材料相对密度和冲击速度的依赖性。研究结果表明多孔材料的吸能行为可依据变形模式分为三个阶段。在冲击模式下,多孔材料单位体积吸能与相对密度成线性增加关系,此时惯性起主导作用;在过渡模式下,惯性的主导作用减弱,单位体积吸能量的增加速率随相对密度的增加而减弱;在准静态模式下,多孔材料只能发生微小的变形,其吸能很少。本文进一步获得了区别于多孔材料准静态应力-应变曲线的动态应力-应变状态曲线,并考察了其与相对密度之间的关系。结果表明：随着相对密度的增加,多孔材料的动态压实应变将变小,而动态塑性平台应力将提高。     

闭孔泡沫铝动态材料参数的实验研究

泡沫金属在高速冲击下表现为变形局部化,采用传统的分离式Hopkinson杆技术进行动态实验测试可能存在问题。本文以动态、刚性-塑性硬化(D-R-PH)模型为理论基础,对闭孔泡沫铝开展Taylor-Hopkinson冲击实验,结合高速摄影技术和数字图像相关技术(DIC),获得了冲击速度的历史曲线。通过运用冲击波理论,提出了冲击速度与冲击时间的隐函数拟合方法,确定了动态初始压溃应力和应变硬化参数等两个动态材料参数。利用冲击端的应力历史曲线检验了结果的有效性,分析了动态材料参数对相对密度的敏感性,发现动态初始压溃应力和应变硬化参数均与相对密度近似呈幂函数关系。实验表明泡沫铝的应力-应变行为呈现明显的冲击速率敏感性。     

自相似多孔材料的力学性能与吸能特性

通过对自相似多孔材料的研究,给出了该结构的代表体积单元和相对密度。采用有限元方法对多孔材料面外的准静态压缩以及动态压缩进行数值模拟,分析了其变形模式,提取了应力-应变响应曲线,讨论了相对密度对多孔材料的弹性模量、平台应力、密实应变以及单位质量吸能的影响。研究发现:多孔材料在面外准静态压缩时,弹性模量、平台应力随相对密度的增大而增大,密实应变随相对密度的增大而减小;相对密度主要影响多孔材料的平台应力和弹性模量。多孔材料在面外动态压缩时,在相同的冲击速度下,多孔材料相对密度越大,其单位质量吸收的能量越多。     

梯度多孔材料单轴压缩弹塑性变形的宏微观数值分析

针对闭孔的密度梯度多孔材料,建立含球形孔洞的三维数值分析模型,研究其单轴压缩力学行为。首先,研究密度梯度对多孔材料宏观力学行为(如弹性模量和屈服强度)的影响;其次,研究密度梯度与材料局部力学性能的关系,得到了沿梯度方向弹性模量和屈服强度的分布规律;最后,讨论梯度多孔材料单轴压缩变形局部化机制。结果表明:当梯度材料与均质材料的总体相对密度相同时,梯度材料的宏观弹性模量和屈服强度均低于均质材料水平,其宏观应力-应变关系曲线降低;梯度多孔材料沿梯度方向的力学性能发生急剧变化,等效弹性模量沿梯度方向呈线性分布,屈服强度呈非线性曲线分布,导致沿梯度方向应力、应变呈现高度的不均匀性;多孔材料的变形局部化产生于孔隙率较大的薄弱位置,再逐渐向孔隙率较小的位置发展。由此可知,孔隙率的梯度变化影响多孔材料的力学性能,通过改变孔隙率的分布可实现材料预期的力学性质。     

梯度变化对密度梯度蜂窝材料力学性能的影响

为确定一定质量蜂窝材料的密度梯度大小对材料能量吸收性能的影响,基于二维圆环系,通过改 变圆环的壁厚,建立了具有不同密度梯度的二维密度梯度圆环蜂窝材料模型。在此基础上讨论了不同冲击速 度下,密度梯度大小对蜂窝材料能量吸收特性的影响。研究结果表明,对于相对密度从冲击端到固定端递减 的情况,在高速冲击条件下,梯度系数越大,材料单位质量的能量吸收率越高。研究结果可为完善密度梯度 蜂窝材料动力学性能的设计提供参考。     

横向冲击载荷下不同约束泡沫铝夹芯圆管的动态响应

以泡沫铝夹芯圆管为研究对象,采用数值模拟研究了横向冲击载荷作用下4种不同约束夹芯圆管的动态响应。研究了夹芯圆管的几何参数、冲击速度和芯层泡沫铝相对密度对夹芯圆管力学行为的影响,对比分析了不同约束条件对泡沫铝夹芯圆管变形模式和吸能性能的影响。结果表明:随着内管直径的减小、冲击速度的增大和芯层泡沫铝相对密度的增大,泡沫铝夹芯圆管的比吸能增大;内管壁厚的增加使无约束和倾斜约束下夹芯圆管的比吸能增大,对侧壁约束和组合约束下夹芯圆管的吸能影响不明显;采用一定的外部约束条件是提高泡沫铝夹芯圆管吸能性能的一种可行的方法。     

闭孔泡沫铝泊松比及三轴压缩变形模式

在闭孔泡沫铝的唯象本构模型中, 泊松比是一个非常关键的参数, 为了探究闭孔泡沫铝泊松比变化规律研究结果存在分歧的原因, 认识闭孔泡沫铝泊松比变化规律中特征点的物理意义, 采用数值模拟方法, 建立了闭孔泡沫铝的3D-Voronoi模型及2D-Voronoi模型, 对模型进行侧面位移耦合单轴压缩边界条件下的仿真分析; 基于闭孔泡沫铝本构模型的唯象特性, 对闭孔泡沫铝变形模式的研究同样十分重要, 为明确其三轴压缩下的变形模式, 对闭孔泡沫铝的3D-Voronoi模型进行侧面位移受限轴向压缩边界条件下的仿真分析. 研究结果表明, 常规壳单元接触中的厚度减薄特性是闭孔泡沫铝泊松比变化规律的研究结论存在分歧的原因, 但厚度减薄不影响泡沫铝模型致密前胞孔结构的变形模式; 闭孔泡沫铝泊松比的准确变化规律为“增高?降低?再增高”的“S”型曲线, 并且, 曲线极大值对应闭孔泡沫铝吸能效率的增速下降点; 等比压缩应力状态下, 闭孔泡沫铝存在四种侧面变形模式, 分别为“(短期)压缩变形→膨胀变形”、“压缩变形→膨胀变形→压缩变形→膨胀变形”、“压缩变形→(短期)膨胀变形”及“压缩变形”.      

Propagation of compaction waves in metal foams exhibiting strain hardening

One-dimensional models for compaction of cellular materials exhibiting strain hardening are proposed for two different impact scenarios. The models reveal the characteristic features of deformation under the condition of decreasing velocity during the impact event. It was established that an unloading plastic wave of strong discontinuity propagates in the foam and it has a significant dynamic effect on the foam compaction and energy absorption. The proposed models are based on the actual experimentally derived stress strain curves. The compaction mechanism in three aluminium based foam materials, two of them with relatively low density – Alporas and Cymat with 9% and 9.3% relative density, respectively and a higher density Cymat foam with 21% relative density, is analysed. Numerical simulations were carried out to verify the proposed models.The predictions of the proposed models are compared with published analytical models of compaction of cellular materials which assume a predefined densification strain. It is shown that the approximation of a cellular material with significant strain hardening by the Rigid Perfectly-Plastic-Locking (RPPL) model can lead to an overestimation of the energy absorption capacity for the observed stroke due to the non-uniform strains along the compacted zone of the actual material in contrast to the predefined constant densification strain in the RPPL model. The assumption of a constant densification strain leads also to an overestimation of the maximum stress, which occurs under impact.     

沉痛悼念许兵先生

通过对胞壁随机移除的蜂窝结构动态变形过程的有限元模拟,分析了随机缺陷对蜂窝 结构变形模式的影响,得到蜂窝结构在两个加载方向上的变形模式图及不同模式间转换的临 界速度. 对含缺陷蜂窝结构平台应力的研究发现,当变形模式为过渡模式或动态模式时结构 平台应力与冲击速度的平方成线性关系. 相同密度下,低缺陷蜂窝结构的平台应力在由过渡 模式向动态模式转变的临界速度附近高于规则蜂窝结构,较高的随机缺陷则使蜂窝结构的平 台应力在由准静态模式向过渡模式转变的临界速度附近显著下降. 关键词：多孔材料,蜂窝,缺陷,平台应力,有限元分析     

高孔隙率闭孔泡沫铝的低应变率压缩行为

通过落锤冲击实验研究高孔隙率闭孔泡沫铝的动态压缩性能及抗低速冲击特性, 同时通过高速摄影仪观察试件的动态压缩行为, 并记录落锤冲击速度的衰减过程. 结果表明, 高孔隙率闭孔泡沫铝的抗冲击缓冲效果明显, 且在低速冲击条件下其变形特征与准静态变形类似. 采用有限元方法分析了落锤和泡沫中应力的分布特点以及表面摩擦系数对应力分布的影响. 由于摩擦力阻碍了接触面处泡沫的横向位移, 致使其压缩外形呈``鼓形'; 在低速冲击时, 应力在泡沫铝试件内部的传播周期远小于冲击的缓冲时间, 应力波现象并不明显, 应力的变化与准静态压缩时相似. 在考虑接触面上摩擦力的基础上, 通过第2类Lagrange方程建立了落锤-泡沫材料的碰撞解析模型, 将预测的落锤冲击速度的衰减过程分别与实验和有限元结果进行比较, 取得了较为一致的结论, 并进一步讨论了不同冲击速度和材料参数对冲击过程的影响.      

高温下轻质泡沫铝动态力学性能实验

对传统的分离式Hopkinson压杆装置加以改进,设计了一种长杆直接撞击Hopkinson杆的实验方案,检测出低波阻抗材料在高温动态加载下的应力均匀性。对轻质泡沫铝材料的实验表明,在同一撞击速度下,温度越高,试件两端的应力均匀性越差,增加温度与提高撞击速度均会导致泡沫铝材料冲击端与支撑端的应力不均匀性。根据高温下应力均匀性的实验结果,确定高温下试件均匀变形对应的冲击速度,再通过传统的分离式Hopkinson压杆实验得出泡沫铝在高温动态下的力学性能。