泡沫铝合金动态力学性能及其吸能机理的研究

摘要

泡沫金属材料以其独特的结构特征、优异的力学性能、理化性能及吸能特性在汽车、航空航天和铁路等领域具有广阔的应用前景。其性能主要取决于基体材料的性能、相对密度和多孔结构的类型(开孔或闭孔)，此外，其性能还受到孔结构的各向异性和缺陷的影响。泡沫金属材料最主要的用途之一是作为吸能缓冲防护材料，因此其动态力学特性、能量吸收机理以及其应变率效应成为近年来备受关注的研究热点之一。本文以实验为主，结合理论分析和数值模拟，系统研究了两种不同基体材料组成的泡沫铝合金动态压缩力学行为、变形失效机制、吸能特性及其应变率效应，取得了以下成果： 1、首次利用均匀化理论计算了不同相对密度下含正方形孔洞蜂窝材料的等效弹性参数，建立了等效弹性参数与胞元绕坐标系旋转一角度的函数关系，考察了胞壁固体相的力学性能参数对宏观力学性能的影响，并将数值计算结果与已有的理论公式进行了比较和分析。数值计算结果表明：正方形孔洞蜂窝材料是正交各向异性的，蜂窝结构的等效弹性参数主要由结构的相对密度来确定，对基体材料的泊松比变化并不敏感。在相对密度较小(＜0.2)的情况下，Gibson公式和Kim公式与均匀化有限元结果吻合较好，当结构相对密度较大(＞0.25)时，须考虑胞棱附近区域由应力集中引起的应力和应变分布的影响。 2、通过对不同特征参数及不同基体材料的泡沫铝合金的动态压缩实验，研究了孔径、相对密度和不同基体材料对其压缩力学性能的影响，并借助相关的力学模型对这种影响进行了分析；通过对其微观变形机制的分析，探讨了这种具有不规则孔形状、相对密度较高的开孔泡沫铝合金在静动态下的不同压缩变形机制，结合对微观变形机制的分析结果，借助相关的分析模型，分析了该种泡沫铝应变率效应的产生机制，得出泡沫铝合金的应变率效应是由动态条件下微结构变形的惯性效应、微观变形不均匀和变形局部化导致的局部应变率升高、基体材料的应变率效应、泡孔内气体粘性流动、致密化过程中孔边坍塌而相互碰撞以及不同的制备工艺等因素的综合作用结果。 3、系统分析泡沫材料缓冲吸能特性评估的常用方法后，对不同应变率、不同相对密度、不同基体材料以及不同孔径的泡沫铝合金的能量吸收能力，吸能效率、理想吸能效率和能量吸收图进行了研究。结果表明：泡沫铝合金材料的能量吸收能力主要取决于平台区的高度和长度。 4、首次应用反分析法中的反卷积技术给出了SHPB实验装置中波导杆的传递函数h(t)，对实验装置进行了动态标定，完善了数据处理系统，并利用传递函数h(t)，对泡沫铝材料动态特性实验中测得的波形进行了校正。校正后的应力一应变曲线其“平台应力”与实验测得的基本相同，而初始动力坍塌强度比实验测得的偏高约5％左右。 5、应用有限元软件LS-DYNA研究了不同厚度试件以及摩擦力对泡沫铝材料动态特性的影响，并模拟了Gibson的简化开孔泡沫模型的整个冲击变形过程，讨论了泡沫孔径尺寸对其动态力学性能及胞元变形模态的影响。表明泡孔的不均匀对其变形的局部性有一定的影响，但不是决定性的因素。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

第一章绪论

第二章基于均匀化理论的多孔材料细观力学特性数值研究

第三章泡沫铝合金的静动态压缩力学行为

第四章泡沫铝合金的能量吸收特性

第五章数值模拟在泡沫铝合金力学性能研究中的应用

第六章全文总结

参考文献

致 谢

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