泡沫金屬的動(dòng)態(tài)壓潰模型和率敏感性分析.pdf

1、與傳統(tǒng)的金屬材料相比，泡沫金屬材料由于含有多種多樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，從而具有超輕、高能量吸收等優(yōu)良的力學(xué)性能和減震、散熱、隔熱和電磁屏蔽等多功能復(fù)合特性。細(xì)觀結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性和缺陷可能對(duì)泡沫金屬的宏觀力學(xué)性能有較大的影響。實(shí)驗(yàn)的方法很難討論細(xì)觀結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性等特性對(duì)泡沫金屬宏觀力學(xué)行為的影響，通過數(shù)值模擬的手段可以很方便地揭示這一問題，可以為泡沫金屬材料和泡沫金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。動(dòng)態(tài)沖擊情況下泡沫金屬的慣性效應(yīng)和泡沫金屬材料的率

2、效應(yīng)通常耦合在一起。然而泡沫金屬在動(dòng)態(tài)沖擊過程中產(chǎn)生的變形局部化導(dǎo)致采用傳統(tǒng)的SHPB實(shí)驗(yàn)的方法來解耦其慣性效應(yīng)和作為材料的率效應(yīng)是非常困難的。本文采用沖擊波理論對(duì)泡沫金屬的動(dòng)態(tài)沖擊行為進(jìn)行了理論分析，然后通過泡沫金屬材料應(yīng)變場的計(jì)算方法，給出了泡沫金屬材料在沖擊過程中的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)等力學(xué)特性。
　　 基于三維隨機(jī)Voronoi技術(shù)，我們構(gòu)建了三維開孔泡沫金屬模型和三維閉孔泡沫金屬模型。統(tǒng)計(jì)了泡沫金屬的不規(guī)則度與其細(xì)觀胞元體積

3、分布的相互關(guān)系。為保證泡沫金屬細(xì)觀有限元模型計(jì)算的正確性，對(duì)有限元網(wǎng)格的特征長度進(jìn)行收斂性分析。研究表明開孔泡沫金屬和閉孔泡沫金屬在胞元數(shù)量很少的時(shí)候它們的平臺(tái)應(yīng)力均隨著胞元數(shù)量的增加而增加，最終趨于一個(gè)穩(wěn)定的值。當(dāng)胞元個(gè)數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，模型的尺度效應(yīng)是可以忽略的。另外，通過數(shù)值模擬的方式討論了細(xì)觀結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性對(duì)于開孔和閉孔泡沫金屬模型宏觀動(dòng)靜態(tài)力學(xué)行為的影響。研究表明，細(xì)觀結(jié)構(gòu)的不規(guī)則度對(duì)開孔和閉孔泡沫金屬模型的宏觀動(dòng)靜態(tài)力學(xué)性能的

4、影響均是不顯著的，這種影響也是可以忽略的。
　　 本文研究了閉孔和開孔兩種泡沫金屬模型的動(dòng)態(tài)塑性泊松比問題和微慣性效應(yīng)問題。計(jì)算結(jié)果表明，無論對(duì)于開孔泡沫金屬模型還是閉孔泡沫金屬模型，泡沫金屬的塑性泊松比隨著名義應(yīng)變的增加而下降，塑性泊松比的峰值隨著沖擊速度的增加而下降，相對(duì)密度增加時(shí)，泡沫金屬塑性泊松比增加。微慣性對(duì)平臺(tái)應(yīng)力的影響不大。實(shí)驗(yàn)中側(cè)向約束情況下，閉孔泡沫金屬的壓潰應(yīng)力隨著加載速率的提高而下降，這個(gè)現(xiàn)象可以由泡沫金屬

5、塑性泊松比峰值隨著沖擊速度的增加而下降和微慣性效應(yīng)來給出較好的解釋。
　　 本文還研究了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下閉孔泡沫金屬內(nèi)部氣體壓強(qiáng)對(duì)其宏觀力學(xué)性能的影響。計(jì)算結(jié)果表明，在相對(duì)密度比較低的泡沫金屬模型中，泡沫金屬的應(yīng)力增量是比較顯著的，泡沫金屬氣體壓強(qiáng)引起的應(yīng)力增量也隨著名義應(yīng)變的增大而增大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)內(nèi)部孔穴初始?xì)怏w壓強(qiáng)較大時(shí)，氣體壓強(qiáng)會(huì)對(duì)泡沫金屬的名義泊松比產(chǎn)生一定的影響。最后，通過數(shù)值模擬的結(jié)果，給出了泡沫金屬在內(nèi)部氣體壓強(qiáng)

6、影響下的應(yīng)力增量的估算公式。
　　 針對(duì)泡沫金屬模型撞擊剛性壁的情形建立了兩類動(dòng)態(tài)壓潰模型，一維沖擊波模型和三維細(xì)觀有限元模型。以連續(xù)介質(zhì)框架下的應(yīng)力波理論為基礎(chǔ)，并假定了剛性-非線性塑性硬化的加載和剛性卸載的本構(gòu)關(guān)系，建立了一維沖擊波模型，給出了沖擊波波后應(yīng)變與沖擊時(shí)間的隱式表達(dá)式。使用有限元軟件模擬了閉孔泡沫金屬模型的動(dòng)態(tài)壓潰過程，并基于最小二乘法計(jì)算局部變形梯度和局部應(yīng)變得到了三維泡沫結(jié)構(gòu)的應(yīng)變場。通過理論解和數(shù)值解的比較

7、，發(fā)現(xiàn)該理論模型能夠較好的預(yù)測泡沫金屬桿撞擊剛性壁的力學(xué)行為。
　　 我們還對(duì)泡沫金屬材料在動(dòng)態(tài)沖擊情況下的率敏感性進(jìn)行了探討。動(dòng)態(tài)沖擊過程中泡沫金屬產(chǎn)生的局部變形使得實(shí)驗(yàn)中解耦其慣性效應(yīng)和作為材料的率效應(yīng)是非常困難的。為了研究泡沫金屬率效應(yīng)的影響，泡沫金屬細(xì)觀有限元模型以一定的初始沖擊速度直接撞擊固定的剛性壁，借助于細(xì)觀模型的應(yīng)變場的計(jì)算方法，可以獲得泡沫金屬模型動(dòng)態(tài)沖擊下的應(yīng)變分布。計(jì)算結(jié)果表明，泡沫金屬模型的動(dòng)態(tài)壓實(shí)應(yīng)變隨

8、著沖擊速度的增加而增大，且細(xì)觀有限元模型的動(dòng)態(tài)壓實(shí)應(yīng)變要大于采用準(zhǔn)靜態(tài)本構(gòu)關(guān)系定義的動(dòng)態(tài)壓實(shí)應(yīng)變和采用R-P-P-L模型定義的壓實(shí)應(yīng)變。根據(jù)沖擊波理論，反推出沖擊波波陣面前方的應(yīng)力值，發(fā)現(xiàn)沖擊波波陣面前方的應(yīng)力值大于準(zhǔn)靜態(tài)情況下的初始?jí)簼?yīng)力值。最后得出了泡沫金屬模型的動(dòng)態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，并發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)情況下的名義應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有顯著差異的。通過分析細(xì)觀模型的變形模式給出了這種差異性的解釋，當(dāng)前的結(jié)果表明變形模式的