冲击载荷作用下梯度泡沫的压缩特性分析

摘要

多孔泡沫金属具有优异的物理学特性，被广泛应用在体育、交通、航空等领域。相比于均匀泡沫的优异特性，许多学者提出了一种新的以不同密度或结构组成的新型结构材料，并把它定义为梯度材料，并且对其进行了一定的理论和数值分析。研究表明梯度模型在某些方面呈现出良好的力学性能，如能量吸收方面和抵抗冲击的能力等方面。
　　本文应用3D-Voronoi技术生成闭孔泡沫模型，结合有限元分析方法模拟梯度泡沫在不同冲击速度的压缩特性和变形机理。结果表明，在低速载荷作用下(v=30 m/s)，各泡沫模型都在低密度区域发生变形。在中等载荷作用下(v=80 m/s)，负梯度泡沫（沿着冲击端，泡沫密度越来越小）呈现出两边变形的变形模式。通过对负梯度模型名义应力-应变曲线和两边变形的特点，在本文中提出了一种新的定义局部密实化应变的方法，并研究了相对密度和密度梯度对它的影响。通过局部密实化定义了密实化因子，最后利用密实化因子定义了临界冲击速度。在高速冲击载荷作用过程中(v=200 m/s)，不同工况的泡沫金属都呈现出一种变形特点，即冲击端最先局部密实化，然后逐步向支撑端传播，直到最后压实；并且基于均匀泡沫冲击波模型，推导出梯度模型在高应变率下的梯度冲击波模型，并把它与模拟结果进行对比，以此来证明理论推导的可行性。
　　最后把不同工况的梯度模型的初始峰值应力和能量吸收能力进行了对比，通过对名义应力-应变曲线和变形模式的研究发现，不论在低速还是在高速载荷作用下，泡沫金属在变形初期，正密度梯度泡沫（密度越来越大）可以有效的保护冲击物体；而负密度梯度泡沫（密度越来越小）可以有效的保护受冲击的物体；但是纺锤型泡沫（两边密度小，中间密度大）的泡沫模型继承了正梯度和负梯度泡沫的优点，既可以保护冲击物体，又可以保护受冲击的物体。最后讨论了不同工况梯度模型在低速、中速、高速作用下对能量吸收能力的影响。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2多孔泡沫材料

1.3 本文的研究工作

第二章 三维闭孔泡沫随机模型和收敛性分析

2.1 3D-Voronoi模型

2.2 3D-Voronoi随机模型的构建

2.3 3D-Voronoi随机模型

2.4 3D-Voronoi随机模型的收敛性分析

第三章 三维连续梯度闭孔泡沫金属的力学性能分析

3.1 3D-Voronoi梯度有限元模型

3.2 密度梯度泡沫的变形模式

3.3梯度泡沫金属模型的名义应力-应变曲线

3.4 高速冲击下梯度泡沫金属的理论分析

3.5 本章小结

第四章 三维梯度多孔金属材料的优化设计

4.1 不同工况下的三维泡沫模型

4.2不同工况下梯度泡沫的变形模式

4.3不同工况下泡沫金属的名义应力-应变曲线

4.4不同工况下梯度泡沫的能量吸收性能的对比

4.5本章小结

第五章 全文总结与工作展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文