泡沫铝夹芯板三点弯曲实验研究及其数值模拟

摘要

泡沫铝是一种新型的结构功能材料，具有低密度，高比强、高阻尼、吸能、吸声等特性，被广泛应用于航空航天，机械，汽车，建筑装饰等领域。泡沫铝通常主要作为结构件的填充物，在减轻质量的前提下来提高结构件的承载能力和吸收能量能力。本文针对泡沫铝所填充的夹芯板进行了三点弯曲情况下的实验和数值模拟方面的研究。
　　本文主要开展了以下工作:
　　1、针对泡沫铝及其夹芯板开展了系统的实验研究:进行了泡沫铝芯材的单调压缩、单调拉伸实验;对5052铝合金面板进行了单调拉伸和三点弯曲实验;还对夹芯板设计了一系列的三点弯曲实验，观察了其破坏模式和研究了夹芯板面板和芯层的厚度对夹芯板的承载能力的影响;
　　2、在实验分析的基础上，使用ABAQUS软件建立合适的有限元模型对泡沫铝夹芯板三点弯曲的变形行为进行有限元模拟，引入了内聚力模型对泡沫铝夹芯板在三点弯曲过程中的粘接界面的脱粘进行了合理的模拟。模拟所得的结果与实验结果比较吻合。并在此基础上分析了面板和芯层厚度对夹芯板承载能力和吸收能量能力的影响。结果表明增加芯层的厚度能够更大程度上提高泡沫铝夹芯板的承载能力和吸收能量的能力;
　　3、由于泡沫铝具有拉压双模量特性，对芯层的受拉区和受压区采用不同的弹性模量以及分别采用反映拉压弹性模量差异的孔洞模型和未考虑该差异的可压缩泡沫模型来讨论拉压弹性模量差异对夹芯板三点弯曲行为的影响。研究表明，泡沫铝芯层的弹性模量对夹芯板的三点弯曲行为模拟有较大影响。若不考虑泡沫铝拉压弹性模量的差异，得到的夹芯板三点弯曲情况下的加载刚度和屈服荷载明显偏低。
　　4、基于Deshpande和Fleck提出的泡沫金属本构模型，编写了该模型的ABAQUS用户子程序VUMAT，可以准确模拟泡沫铝单调压缩的变形特性。为后续泡沫铝的相关本构模型研究奠定了基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 夹心结构制备的研究现状

1．2．2 实验的研究现状

1．2．3 数值模拟的研究现状

1．3 现有研究的不足

1．4 本论文的主要工作

第2章 泡沫铝夹芯板三点弯曲实验研究

2．1 泡沫铝单调压缩实验

2．2 泡沫铝单调拉伸实验

2．3 铝合金板材的单调拉伸和三点弯曲实验

2．3．1 铝合金板材的拉伸实验

2．3．2 铝合金板材的三点弯曲实验

2．4 泡沫铝夹芯板三点弯曲实验

2．4．1 实验过程

2．4．2 实验结果

2．5 小结

第3章 粘接界面泡沫铝夹芯板三点弯曲失效模拟

3．1 内聚力模型

3．1．1 断裂力学简介

3．1．2 内聚力模型简介

3．1．3 内聚力模型应用

3．2 有限元模拟

3．2．1 有限元模型

3．2．2 材料模型和内聚力模型

3．2．3 模拟结果

3．2．4 面板和芯层厚度对夹芯板承载能力的影响

3．3 小结

第4章 双模量特性对夹芯板三点弯曲模拟的影响

4．1 拉压双模量理论

4．2 有限元模拟分析对比

4．2．1 不同弹性模量可压缩泡沫模型对比

4．2．2 孔洞模型与均匀可压缩泡沫模型对比

4．3 小结

第5章 Deshpande-Fleck模型的有限元实现

5．1 泡沫材料本构模型的发展

5．2 可压缩泡沫模型

5．3 D-F模型的有限元实现

5．3．1 D-F模型的积分算法

5．3．2 D-F模型的程序实现

5．1．3 程序的调试和验证

5．4 小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果