泡沫铝泡孔动态变形特性研究

在SHPB实验中采用应变冻结法将试件冻结于设定的压缩应变,然后观察内部泡孔的变形情况并讨论其变形机理。分别对同一相对密度(40%)、不同基体材料的两种泡沫铝以及两种相对密度(19%和8%)、相同基体材料的泡沫铝进行实验,讨论了基体材料的本构关系、泡沫的相对密度对变形模式的影响。利用ANSYS/LS DYNA软件对泡沫铝在动态压缩时泡孔的变形进行数值模拟计算,进一步说明泡沫铝泡孔变形的模式与基体材料本构关系及相对密度的关系。     

泡沫铝本构行为研究进展

作为泡沫金属的典型代表, 泡沫铝是一种集结构性和功能性于一体的新型材料, 随着生产工艺的提高及国民经济的发展, 泡沫铝在航空航天、交通运输、建筑工程、机械制造等领域的应用日趋深入和广泛. 工程中复杂的载荷工况, 对泡沫铝本构模型的准确性及实用性提出了更高的要求. 国内外学者对泡沫铝进行了大量的试验研究及有限元数值分析工作, 随着各种研究和数值分析本构模型的提出、验证及修正等, 人们对泡沫铝的力学性能及其应用的认识逐渐提高. 本文首先简要概述了泡沫铝力学性能的试验研究及有限元数值分析的进展, 然后重点综述泡沫铝本构行为的国内外研究进展及现状. 最后, 针对目前存在的问题, 讨论并展望了泡沫铝本构行为的研究发展趋势. 完善本构模型表征所需的特征参量, 将各向异性或横观各项同性材料假定引入模型构建体系, 明确静水压缩响应及单轴压缩响应在材料强化中的权重, 建立例如随动强化般更加真实且准确反映泡沫铝强化过程的强化准则, 将应变率效应研究成果引入本构模型中等是现有泡沫铝本构模型体系中的重要研究方向.      

泡沫铝本构行为研究进展

作为泡沫金属的典型代表,泡沫铝是一种集结构性和功能性于一体的新型材料,随着生产工艺的提高及国民经济的发展,泡沫铝在航空航天、交通运输、建筑工程、机械制造等领域的应用日趋深入和广泛.工程中复杂的载荷工况,对泡沫铝本构模型的准确性及实用性提出了更高的要求.国内外学者对泡沫铝进行了大量的试验研究及有限元数值分析工作,随着各种研究和数值分析本构模型的提出、验证及修正等,人们对泡沫铝的力学性能及其应用的认识逐渐提高.本文首先简要概述了泡沫铝力学性能的试验研究及有限元数值分析的进展,然后重点综述泡沫铝本构行为的国内外研究进展及现状.最后,针对目前存在的问题,讨论并展望了泡沫铝本构行为的研究发展趋势.完善本构模型表征所需的特征参量,将各向异性或横观各项同性材料假定引入模型构建体系,明确静水压缩响应及单轴压缩响应在材料强化中的权重,建立例如随动强化般更加真实且准确反映泡沫铝强化过程的强化准则,将应变率效应研究成果引入本构模型中等是现有泡沫铝本构模型体系中的重要研究方向.     

聚氨酯泡沫铝动力学性能实验及本构模型研究

为了改进泡沫铝的动态吸能性能,将聚氨酯填充到开孔泡沫铝中制备成复合材料。通过霍普金森杆(SHPB)冲击实验,研究包含相对密度、应变、应变率和聚氨酯含量等影响因素的聚氨酯泡沫铝材料的动力学性能,并建立了动态本构模型。实验结果表明,聚氨酯泡沫铝的动态弹性模量与相对密度无关,屈服强度和流变应力与应变率和泡沫铝的相对密度成正比;聚氨酯泡沫铝的屈服强度与泡沫聚氨酯质量增加近似呈线性关系。所建立的动态本构模型在相对密度和应变率在一定的变化范围内与实验数据吻合较好。     

泡沫铝材料准静态本构关系的理论和实验研究

应用Chen和Lu提出的适用于可压缩弹塑性固体的唯象本构模型框架，建立了泡沫铝的准静态本构模型，推导了三维等比例加载和环向受约束轴向加载下的宏观应力-应变曲线. 对两种泡沫铝材料(开孔和闭孔)进行了4类准静态试验，即单轴压缩、三维静水压缩、三维等比例压缩和侧向受约束轴向压缩实验. 利用单轴压缩和三维静水压缩的实验结果得到了泡沫铝材料的本构参数曲线，并由此预测它在三维等比例压缩和侧向受约束轴向压缩情况下的响应. 理论预测与相应实验结果相比较，三维等比例压缩的结果比较吻合，但与侧向受约束轴向压缩的结果却相差很大. 分析表明，理论预测与侧向受约束轴向压缩实验结果的偏差是由于泡沫铝试件与约束筒之间的摩擦造成的. 研究结果说明, Chen-Lu模型能够很好地描述泡沫铝材料在压缩占主导的应力状态下的响应.     

聚苯乙烯泡沫颗粒散体和整体集合的准静态压缩力学特性

对颗粒聚苯乙烯(EPS)泡沫单粒及封闭容器中的大量颗粒整体分别进行了不同加载速率下的准静态压缩实验,获得相应的压缩应力应变曲线.分析了单颗泡沫颗粒内部气体对材料压缩性能的影响,以及大量颗粒用作包装材料时由于内、外部气体被挤出所引起的密度变化对整体应力应变关系的影响.研究表明:EPS泡沫是典型的闭胞材料,单颗颗粒内部气体压力对材料力学行为的影响可以用Ashby等提出的闭胞材料内部气体压力贡献来描述,经过对实验数据拟合,给出了描述单颗材料的考虑颗粒内部封闭气体压力贡献及加载速率影响的本构方程.另一方面,封闭容器里的大量泡沫颗粒的整体力学性能既受颗粒内部气体压力影响,又受颗粒间缝隙气体流动的影响;表观上这种内、外部气体的贡献可以通过材料的表观密度来描述.通过引入整体密度影响因子,定量分析了加载速率对大量颗粒整体的应力应变关系的影响.研究结果对理解大量泡沫颗粒整体的力学性能提供一定的线索.     

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．     

泡沫铝夹芯板动态抗侵彻性能的实验研究

本文研究了铝板-泡沫铝夹芯板的抗侵彻性能.设计了铝板-泡沫铝夹芯复合材料板,采用SHPB设备,测试了不同子弹冲击速度下纯铝板和泡沫铝夹芯板的动态响应,并研究了其破坏形态.结果表明应力波在纯铝板中的传播与在铝板-泡沫铝夹芯板中的传播有很大差异,由于泡沫铝的粘性效应使应力波在传播过程中有明显的波幅衰减现象.实验结果表明,铝板-泡沫铝夹芯板相对于纯铝板具有不同的破坏形态.由于铝板-泡沫铝夹芯板的特殊结构和性能,使其具有良好的抗侵彻性能.     

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．     

泡沫铝率相关本构模型及其在三明治夹芯板冲击吸能特性的应用研究

高孔隙率泡沫铝芯体三明治板具有轻质、高比刚度和减振吸能等优良的力学特性和物理特性,被广泛地应用于碰撞吸能部件上.近年来,高孔隙率泡沫铝在动态压缩下是否具有应变率敏感性成为广大学者的研究焦点.论文建立了横观各向同性率相关本构模型来描述高孔隙率泡沫铝的应变率效应,给出了有限元的计算步骤,基于ABAQUS/Explicit平台开发了子程序VUMAT,并在单个单元模型中验证了计算结果的稳定性和可靠性.将其作为三明治板芯体的材料属性,研究了不同率敏感系数对整个结构冲击吸能能力的影响.结果表明,随着率敏感系数的增加,芯体吸收的能量也随之增加,而底面面板的变形会越小,再一次验证了该子程序可以用来描述泡沫铝的应变率效应.采用该率相关模型及其子程序VUMAT,可以对泡沫铝夹芯三明治板的冲击力学特性进行很好的有限元模拟,对工程实际应用具有一定的指导意义.     

泡沫铝合金填充圆管三点弯曲实验研究

用实验方法研究了三种不同管壁厚度、两种跨径的泡沫铝合金填充圆管的三点弯曲力学性能,得到了泡沫铝合金填充管结构承载过程中的三种变形模式,即压入、压入弯曲和管壁下缘拉裂破坏。给出了空管和泡沫铝合金填充管的载荷位移曲线,并进行了比较。实验发现泡沫铝合金填充管结构的承载能力随泡沫铝合金密度的增大而增大,但破坏应变则随之减小。结构承载力的相对提高量随着管壁厚度的减小和跨径的增大而增大。此外,分析了泡沫铝合金提高填充管结构承载能力的机理。泡沫铝合金填充使管壁压入量和管截面抗弯刚度的损失显著减小,从而提高了结构的抗弯能力。     

泡沫铝夹芯梁四点弯曲性能试验研究

通过准静态四点弯曲试验对泡沫铝夹芯梁的弯曲力学性能进行了测试,研究了它的破坏过程、破坏形态和典型荷载-位移曲线,分析了芯层厚度和面层厚度等参数对其弯曲力学性能的影响。结果表明,泡沫铝夹芯梁四点弯曲破坏过程历经三个阶段,呈现三种失效模式:整体弯曲破坏、局部屈曲破坏以及整体屈曲破坏;芯层厚度和面层厚度对夹芯梁的弯曲承载力和吸能效果有明显影响;在本试验参数范围内,芯层厚度为25mm,面层厚度为0.4mm时,夹芯梁具有最优弯曲力学性能。     

泡沫铝在SHPB高温动态下的变形过程研究

利用分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置研究轻质泡沫铝在动态压缩下的温度相关性,重点设计了一种基于SHPB的可视化高温炉,在此基础上通过高速摄影观测泡沫铝试件在高低温且动态压缩下的变形过程。动态加载下的实验结果表明：常温下,胞壁在变形过程中易于观察到屈曲失稳、撕裂、弯曲等现象,且在压缩的过程中碎片飞溅;高温下材料软化较明显,呈现出更多的塑性弯曲现象,但是屈曲失稳与撕裂的现象并不显著,变形过程中并无碎片产生。     

环氧树脂/泡沫铝一体型复合夹层板压缩及弯曲试验研究

提出了一种环氧树脂/泡沫铝一体型复合夹层板,通过准静态试验以及与纯泡沫铝、传统蒙皮夹层板的对比研究了其破坏过程、破坏形貌、破坏机理及压缩和弯曲力学性能。分别通过压缩应力-应变曲线和弯曲荷载-挠度曲线分析了复合层厚度对压缩及弯曲力学性能的影响,并与传统夹层板的力学性能进行了比较。结果表明,随着夹层板中环氧树脂/泡沫铝复合层厚度增加,其压缩弹性模量和抗压强度增加,弯曲承载力提高。相比传统蒙皮夹层板,由于表层和芯层之间没有明显界面,大大提高了夹芯板的整体性,在受力过程中不会出现表层剥离等现象。     

载荷作用下泡沫铝的波速与变形关系的实验研究

对单轴压缩下两种密度的泡沫铝进行了三种频率(50kHz、200kHz和300kHz)的声波测试,同时运用CCD对实验进行跟踪拍摄。分析结果表明:P波波速随载荷增大而增加,当载荷达到屈服力时,波速有所下降;S波有相同趋势,但变化比P波小。应用数字图像相关方法对CCD拍摄图片进行处理,得到不同载荷阶段下泡沫铝的全场应变;采用Weibull函数对全场应变分布进行拟合,研究了Weibull分布参数随载荷变化的规律。由此,初步建立了载荷作用下材料结构变化与波速的关系。此研究对于声波探测领域有很好的指导意义。     

数字图像相关方法在闭孔泡沫铝压缩试验中的应用

为了了解相对密度与胞孔结构对闭孔泡沫铝力学性能的影响,本文采用放大成像及数字图像相关技术对两种不同密度的泡沫纯铝试样进行了实验研究.利用数字图像相关方法对泡沫纯铝变形前后的图像进行相关计算,获得了弹性范围内静态压缩情况下闭孔泡沫铝材料表面的全场变形及局部孔结构的变形,同时根据试验结果计算了试件的名义弹性模量.实验结果表明泡沫铝整体孔结构的变形与泡沫金属材料相对密度有关,而单个孔结构的变形主要与孔壁面光滑程度和皱褶有关.实验结果还表明图像相关方法能够有效地应用于闭孔泡沫金属的力学性测量和评估的研究.     

基于数字图像相关方法对冲击载荷下泡沫铝全场变形过程的测试

应用分离式霍普金森压杆(以下简称SHPB)和高速摄影装置研究了冲击载荷下泡沫铝试件全场变形的测量方法。使用SHPB对泡沫铝试件进行冲击压缩实验,同时用高速摄影装置对实验过程进行全程跟踪拍摄。将得到的高速摄影图像采用数字图像相关方法进行分析,由此可得到冲击压缩过程中泡沫铝试件全场应变的分布和变化规律。此研究揭示了冲击载荷下泡沫铝试件局部化变形的发展过程,为研究泡沫铝在不同冲击载荷下不同变形模式的内在机制提供了新的可靠的方法。     

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.     

铝箔力学性能的实验研究

铝箔已被广泛应用于电子工业,现又被用作锂电池正极集流体,因而对于铝箔的力学性能要求也在不断提高。通过表征和研究铝箔的力学性能(弹性模量、屈服强度、断裂强度等),能够为铝箔相关技术的可靠性研究提供必要的数据支持和理论指导,从而使铝箔得到合理和可靠的使用。本文运用微拉伸、纳米压痕和动态力学分析(DMA)实验,分别研究了不同厚度的H18态和O态铝箔的力学性能。结果表明两者的弹性模量均约为30GPa,仅为块材的一半;H18态铝箔材料的断裂强度要明显强于块材,而O态铝箔材料的断裂强度则明显小于块材;此外,H18态铝箔材料的屈服强度明显大于块材,O态铝箔材料的屈服强度与块材相仿。并且,随着厚度的增加,H18态铝箔材料的延伸率显著增大,但是仍远小于块材。通过扫描电子显微镜(SEM)对铝箔材料断裂形貌进行微观分析,发现铝箔的拉伸断裂方式为脆性断裂。     

应用高速摄影机对泡沫铝在SHPB实验过程的变形跟踪与分析

SHPB技术虽然能方便地得出材料的动态应力应变关系,但却不能直观地揭示材料在经受冲击荷载时的变形特征,而这恰恰是泡沫金属力学性能研究的重要方面.为此,本文设计了一套SHPB-高速摄影机系统,借此系统对SHPB实验中的泡沫铝试件进行了实时的变形跟踪拍摄,然后应用图像处理软件对泡沫铝试件的动态变形进行分析并提取了位移信息,...