多孔金属材料应力/力增强现象的研究

摘要

多孔金属材料由于具有高比刚度、高比强度、强的吸收能量的能力、高的渗透性以及高的热传导性等优点使其在航空航天、汽车工业、建筑行业、包装材料、舰船以及防护工程等领域大量使用。为此，其静态和动态力学性能被广泛研究，特别是在动态变形过程中所表现的应变率效应机理等方面的研究取得了大量成果。然而，人们忽略了可能在冲击波传播过程中固体相中的应力/应力增强效应。目前，观察到的应力/力增强效应现象主要包括两个方面：1)应力/力增强是指冲击速度/载荷作用下临界坍塌应力和平台应力随着冲击速度/载荷的增加而增加，这一现象实际上是速度效应。2)当多孔金属材料作为防护性材料来减轻被保护物体伤害时，被保护物体受到冲击作用比施加冲击/撞击作用还大，即输出端的应力/力比加载端的应力/力增大，产生了应力/力增强。这种应力增强对于被保护物体会造成更严重的伤害，这与人们利用多孔金属材料用作防护层以减缓对被保护物体的伤害正好相反。因此，需要详细研究产生应力/力增强现象的机理，以防止对被保护物体造成的伤害。
　　 本文采用改进的霍普金森杆实验装置，在两种实验状态，即子弹撞击试件与输出杆和子弹与试件一起撞击输出杆的不同情况下对闭孔铝泡沫材料、开孔铝泡沫材料以及六边形铝蜂窝等三种多孔固体材料进行了大量的应力增强实验研究。其次，利用现有的一维应力波传播理论，采用理想刚塑性-密实化材料模型和弹性-理想刚塑性-密实化材料模型推导了两种实验状况下冲击波波阵面后方的动态应力的计算公式，同时给出冲击波波阵面存在的条件。第三，采用前处理程序FEMB.V29(ETA.Com，美国)建立了与两种实验状态一致的有限元模型，利用显式结构非线性动力响应分析程序LS-DYNA3D.970在HP-J6750工作站上进行多孔固体应力增强的数值模拟分析，并且把实验结果、理论分析与数值模拟结果进行了对比分析，同时对多孔金属材料的相关参数进行研究。鉴于上述数值模拟采用连续介质可压缩泡沫材料模型并不能反映多孔金属泡沫中胞孔随机分布性质、胞孔壁厚随机不均匀性以及孔壁随机缺失等因素影响，本文建立二维Voronoi随机模型研究上述因素对应力增强的影响。
　　 对上述各种情况的研究，取得如下的结论：
　　 对于某一给定相对密度和一定孔径的闭孔铝泡沫材料，当撞击速度大于等于某一临界速度时，就会在铝泡沫材料中形成冲击波波阵面，从而出现波阵面后方的动态应力大于波阵面前方的静态应力，出现应力增强。
　　 通过对多孔金属泡沫材料的理论研究和数值模拟的分析，可知当子弹的质量与泡沫试件的质量比大于某一数值时，可以忽略子弹质量对应力增强的影响。
　　 由于开孔铝泡沫材料应力应变曲线具有递增硬化材料的特征，对于塑性波来说高幅值塑性扰动的波速大于低幅值塑性扰动的波速，在传播过程中发生应力、应变和质点速度的突跃也即形成冲击波。从而使开孔铝泡沫中出现输出端应力大于加载端应力的另一种应力增强现象。这种应力增强会造成被保护物体更严重的伤害。
　　 对于开孔铝泡沫材料，在相同撞击速度下改变不同试件厚度，出现上述应力增强的时间随着试件厚度的增加而推迟。但是改变试件厚度，并不会改变出现应力增强的速度。对于开孔铝泡沫材料，实验研究、理论分析和数值模拟的过程中发现：开孔铝泡沫材料与闭孔铝泡沫材料一样，随着撞击速度的增加，波阵面后方的动态应力也在增加。
　　 对于六边形铝蜂窝材料的研究发现：当撞击速度大于某一临界速度时，铝蜂窝材料中也会产生应力增强。铝蜂窝材料应力增强与撞击速度、铝蜂窝壁厚厚度等因素有关。
　　 采用二维Voronoi随机模型研究了“真实”多孔金属材料在脉冲载荷作用下的应力增强现象。分析了孔形状随机不规则度κ1，孔壁厚度随机不均匀度κ2以及随机孔壁不完整性对出现应力增强现象以及对其峰值应力的影响。结果表明，存在一临界载荷，当载荷超过这一临界载荷时，就会出现应力/力增强现象。应力增强与脉冲载荷的大小、孔形状不规则度、孔壁厚度的均匀程度以及删除孔壁百分比等因素密切相关。研究还发现，随着脉冲载荷强度的增加，应力增强现象提前出现，甚至出现二次应力增强现象。
　　 利用二维Voronoi随机模型进行数值模拟分析发现：矩形脉冲载荷较小时不规则度比较大的情况下，随着作用时间的增加，应力增强会在整体材料没有达到密实化阶段出现。出现上述的应力增强主要是由于多孔金属泡沫材料中胞孔随机不规则性导致变形带随机出现而引起的。