泡沫金属材料的能量吸收特性和应用

摘要

本研究对ALPORAS商用泡沫铝材料进行了准静态和低速下的动态压缩和坑压试验。设计了一种带预制裂纹的坑压试验件，提出了一种得到泡沫铝撕裂能更为方便的方法。在此基础上，得出准静态闭孔泡沫相对密度与其撕裂能的关系，并对该关系进行了理论分析。同时，利用粘弹性Hopkinson杆系统设计了低速下（10m/s-30m/s）泡沫铝的坑压和压缩试验，并对试验信号进行了修正。试验结果表明该闭孔泡沫铝在低速下具有较为明显的应变率效应，当加载速度达到10m/s时，其单位体积能量吸收率有明显的提升。该结果表明低速下（10m/s-30m/s）该泡沫材料应变率强化现象与准静态范围内具有不同的强化机理。泡沫铝的撕裂能随加载速度变化不大。建立了闭孔泡沫微观Voronoi模型进行分析。研究了模型规则程度对泡沫结构力学性能的影响。研究发现，Voronoi闭孔泡沫规则程度对泡沫结构弹性模量影响不大，而对其塑性性能有较大影响。泡沫平台应力随规则程度的降低而显著下降。分别利用弹簧并联和弹簧串联模型对该现象进行了解释。在此基础上，利用Voronoi模型对前文试验进行了准静态和动态模拟，发现结构的惯性效应并不是造成该泡沫材料低速下应变率强化的原因，相反，塑性波的影响和基体材料本身应变率效应的相互作用可能是造成这种现象的原因。利用该模型研究了相对密度，基体材料失效应变等因素对泡沫铝撕裂能的影响。将泡沫材料应用于工程结构中。首先针对一种民机挡板结构进行了抗鸟撞改进设计，在结构适当位置加入泡沫铝材料。试验结果表明加入的泡沫铝对结构起到了支撑作用，改进后的结构达到了抗鸟撞要求。提出了一种新型的抗鸟撞前缘结构，该结构利用前缘内部的加强件分割鸟体，并利用上下两侧的泡沫铝材料吸收鸟体的剩余动能。计算结果表明该结构具有较好的抗鸟撞特性，泡沫铝材料在鸟撞过程中吸收了大部分鸟撞能量，起到了较为关键的作用。

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 本文主要工作

2 准静态载荷下泡沫铝撕裂能量研究

2.1 试验材料

2.2 试件设计

2.3 准静态坑压及压缩试验设计

2.4 准静态坑压实验结果

2.5 准静态坑压实验结果分析

2.6 本章小结

3 动态压缩和坑压实验研究

3.1 低阻抗粘弹性Hopkinson杆试验技术

3.2 动态坑压及压缩试样选取

3.3 动态坑压及压缩试验设计

3.4 试验数据弥散选修正

3.5 试验数据处理方法

3.6 动态坑压及压缩试验结果和简单理论分析

3.7 本章小结

4 微观数值模型建立过程和随机度分析

4.1 泡沫铝材料微观模型的建立过程

4.2 有限元方法研究

4.3 微观模型随机度影响研究方法和计算结果

4.4 分析与讨论

4.5 本章小结

5 泡沫金属能量吸收特性的数值计算研究

5.1 泡沫压缩和坑压试验的数值模拟

5.2 静动态模拟结果

5.3 泡沫金属能量吸收特性的研究

5.4 本章小结

6 泡沫金属结构在飞行器抗鸟撞方面的应用

6.1 宏观泡沫金属模型在结构仿真中的应用

6.2 端框结构的抗鸟撞设计

6.3 平尾前缘的抗鸟撞设计

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 主要研究内容及结果

7.2 主要创新点

7.3 未来工作与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况

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