泡沫铝压缩性能的有限元模拟

摘要

力学性能研究是泡沫铝应用的基础，通过压缩性能模拟研究不仅可以预测多孔材料力学性能，还能扩展泡沫金属材料力学性能数据库。本文从微观结构力学模型和宏观数值仿真研究的角度对多孔泡沫铝力学性能进行研究，无论是微观模型还是宏观模型都不能完全描述目前制备的开孔和闭孔泡沫铝材料，模拟结果与试验结果有些会出入很大，仍需累积大量数据以发现准确的规律。
　　 针对开孔泡沫铝，在理论研究的基础上，利用有限元程序包DEFORM-3D进行泡沫金属准静态压缩试验模拟，选用纯铝与铝硅合金两种不同材质，分析正四面体、正八面体、十四面体（即Kelvin模型）这三种代表单元模型。模拟结果显示，这三种单元模型的压缩载荷-时间曲线大体趋势相同，都有弹性、塑性平台和密集化三个阶段。另外将有限元模拟结果与泡沫铝压缩实验结果相比较。结果表明，以上三种单元模型中，十四面体孔隙率最高且平台应力值更接近试验值；对上述两种材质而言，铝硅合金平台应力值较大，且平台区域较长，铝硅合金的压缩性能整体高于纯铝。因此，选用十四面体单元模型模拟结果更符合实际情况，选用铝的各种合金可提高泡沫铝的力学性能。
　　 采用整体建模法对多孔泡沫铝的微观孔穴结构进行几何构型，利用DEFORM-3D软件，对泡沫铝压缩性能进行进行模拟研究和实验对比。在模拟过程中，我们选择了三组泡沫铝模型：①不同孔径的泡沫铝模型；②不同基体材料的泡沫铝模型；③不同尺寸的泡沫铝模型。得出以下结论：材质、孔径大小、试样尺寸对泡沫铝的压缩性能有一定的影响。材质的影响最大，孔径次之，试样尺寸的影响最小。
　　 在对发泡过程进行假设的基础上，根据泡沫材料微结构的特点，建立闭孔泡沫材料的简单立方单胞模型。利用有限元程序包ANSYS/LS-DYNA，在适当的边界条件下计算整个密度范围内泡沫材料的屈服强度和杨氏模量，通过与已有理论预测结果的比较，其屈服应力的误差值为8％；杨氏模量误差值为16.7％，说明所建立的闭孔泡沫模型是有效的。
　　 采用ANSYS/LS-DYNA软件对空圆管和泡沫铝填充圆管受轴向压缩时的吸能特性进行数值模拟研究。泡沫铝填充圆管在受轴向压缩时发生轴对称屈曲变形，泡沫铝填充圆管与空管具有相同的变形模式。泡沫铝填充管的屈服应力比空管有显著提高，从430MPa提高到700MPa，这表明填充泡沫铝可有效提高吸能能力。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2、 泡沫铝压缩性能模拟研究的现状

1.2.1 细观结构力学模型研究

1.2.2 宏观数值仿真研究

1.3 总结和展望

1.4 本文的研究意义和主要工作

1.4.1 研究意义

1.4.2 主要工作

第二章 泡沫铝有限元模拟原理

2.1 有限元的发展趋势及软件的选用

2.2 有限元方法原理

2.3 模拟的设计思路

2.3.1 泡沫金属和有限元的连接点

2.3.2 泡沫模拟的设计思路

2.4 模拟分析流程

2.4.1 DEFORM软件分析流程

2.4.2 ANSYS/LS-DYNADE分析流程

2.5 泡沫铝压缩性能的理论曲线

2.6 小结

第三章 基于DEFORM的有限元模拟实验结果与分析

3.1 开孔泡沫铝单元结构的数值模拟

3.1.1 模型建立

3.1.2 有限元模拟

3.1.3 模拟结果及分析

3.1.4 小结

3.2 开孔泡沫铝整体结构的数值模拟

3.2.1 渗流法制备开孔泡沫铝的工艺原理

3.2.2 不同孔径条件下的模拟结果

3.2.3 不同材料条件下的模拟结果

3.2.4 不同尺寸条件下的模拟结果

3.2.5 小结

3.3 结论

第四章 基于ANSYS的有限元模拟实验结果与分析

4.1 单胞模型的建立

4.1.1 发泡过程的理想化假设

4.1.2 闭孔单胞模型的建立

4.1.3 结果分析

4.2 复合泡沫铝管在冲击作用下的吸能

4.2.1 准静态轴向压缩情况下泡沫铝填充圆管的能量吸收特性理论分析

4.2.2 模拟参数设置

4.2.3 结果分析

结论

1 DEFORM-3D有限元软件模拟结论

2 ANSYS/LS-DYNA有限元软件模拟结论

3 建议

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录

致谢