泡沫金属夹芯结构的低速冲击响应分析

摘要

泡沫金属夹芯结构具有比强度、比刚度高，可设计性强，抗疲劳性能好等优点，广泛应用于航空航天技术、空间技术、民用建筑和交通运输等工业领域。
　　 在交通运输领域，磁悬浮列车的轻量化是设计和制造过程必须考虑的问题，而现在一个卓有成效的手段就是使用泡沫金属夹芯结构。德国大众汽车已经使用泡沫金属夹芯结构作为汽车前置防撞吸能装置；奥迪A8也已经使用泡沫金属夹芯结构作为车身结构。德国的BMW汽车公司资助了Karmann GmbH公司研究泡沫金属在BMW轿车上的应用。
　　 在航空航天领域，由于泡沫金属具有宏观各向同性的特点，又有较好的抗屈曲和抗断裂的优点，波音公司利用泡沫钛夹芯板做成直升机尾桁。因为易于加工成型，制造商正试图用泡沫金属夹芯结构取代目前使用的二维蜂窝部件。此外，泡沫金属还可以制造涡轮发动机的结构部件和飞行器的着陆缓冲器。
　　 在建筑结构领域，泡沫金属夹芯结构可以有效地减轻建筑结构的质量，减轻的比重可达80％～90％（300～400kg/m2的混凝土或砖结构可以用小于50kg/m2的夹芯结构代替），同时其良好的抗冲击性能在军事建筑结构防护方面也具有广泛的应用前景，并成为现今材料科学研究的热点。
　　 以往研究泡沫金属夹芯结构都是在静态或准静态下展开的，但是其在实际的应用中常常用来抵抗意外物体的冲击作用，尤其是低速冲击。泡沫金属夹芯结构的低速冲击（LowVelocity Impact，简称LVI）问题一直是学者们关注研究的重要课题，但其成果却非常有限。本文以胞状铝合金夹芯结构为例在此方面做了一些浅显的研究工作。
　　 首先，对于泡沫金属和泡沫金属夹芯结构的制备及力学性能做了简单的介绍。
　　 其次，根据Hopkison试验得出胞状铝合金与胞状纯铝相比具有更好的抗冲击吸能性能，再由单向压缩试验得出胞状铝合金的应力应变曲线。
　　 然后，应用应力波理论分析得出夹芯结构具有衰减应力的作用。
　　 再然后，应用大型非线性有限元分析软件LS-DYNA，在单向压缩试验得到的应力应变曲线的基础上，分析在一低速、小冲击能量的作用下，保持试样质量相同，随着泡沫金属孔隙率的不同，面层和芯层尺寸的不同，其相应的动力响应情况。
　　 最后，通过数值模拟说明泡沫金属夹芯结构在建筑结构防护应用方面具有良好的潜力。

目录

文摘

英文文摘

图目录

表目录

第一章 绪论

1.1 泡沫金属夹芯结构的概述

1.2 泡沫金属夹芯结构的应用前景

1.3 夹芯层泡沫金属的制备

1.3.1 铸造法

1.3.2 粉末冶金法

1.3.3 溶化法

1.4 泡沫金属夹芯结构的制备

1.4.1 胶结与钎焊

1.4.2 粉末冶金发泡法

1.5 国内外研究现状

1.6 本文研究的目的和主要工作

参考文献

第二章 泡沫金属和泡沫金属夹芯结构的力学性能

2.1 泡沫金属的力学性能

2.1.1 泡沫金属的压缩变化阶段

2.1.2 泡沫金属的应变率效应

2.1.3 胞状铝合金单向压缩试验

2.2 泡沫金属夹芯结构的力学性能

2.3 泡沫金属夹芯结构常用的理论模型

2.3.1 瑞斯纳

2.3.2 霍夫理论

2.3.3 波鲁沙可夫理论

2.4 泡沫金属夹芯结构的破坏模式

2.5 本章小结

参考文献

第三章 应力波基础及在泡沫金属夹芯结构中的应用

3.1 应力波基础

3.1.1 波的简单介绍

3.1.2 波长、波速和频率

3.1.3 波的能量

3.1.4 波的能量衰减

3.2 应力波在冲击力学中的应用

3.2.1 加载波和卸载波

3.3 应力波在金属夹芯结构中的应用

3.3.1 应力波的透射与反射

3.3.2 波阻抗的计算

3.4 本章小结

参考文献

第四章 胞状铝合金夹芯结构基于数值模拟的冲击响应

4.1 LS-DYNA的简单介绍

4.1.1 LS-DYNA的主要算法

4.1.2 三大力学方程和有限元实现

4.1.3 LS-DYNA标准算法

4.1.4 LS-DYNA冲击碰撞算法

4.2 胞状铝合金夹芯板数值模拟

4.2.1 有限元分析模型

4.2.2 有限元模型材料及尺寸

4.2.3 有限元分析工况

4.3 本章小结

参考文献

第五章 胞状铝合金夹芯结构在建筑防护方面的应用

5.1 模态分析

5.2 工况1

5.3 工况2

5.4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 研究展望

致谢

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