泡沫鋁合金動態(tài)力學性能及其吸能機理的研究.pdf

1、泡沫金屬材料以其獨特的結構特征、優(yōu)異的力學性能、理化性能及吸能特性在汽車、航空航天和鐵路等領域具有廣闊的應用前景。其性能主要取決于基體材料的性能、相對密度和多孔結構的類型(開孔或閉孔)，此外，其性能還受到孔結構的各向異性和缺陷的影響。泡沫金屬材料最主要的用途之一是作為吸能緩沖防護材料，因此其動態(tài)力學特性、能量吸收機理以及其應變率效應成為近年來備受關注的研究熱點之一。本文以實驗為主，結合理論分析和數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究了兩種不同基體材料組成的

2、泡沫鋁合金動態(tài)壓縮力學行為、變形失效機制、吸能特性及其應變率效應，取得了以下成果： 1、首次利用均勻化理論計算了不同相對密度下含正方形孔洞蜂窩材料的等效彈性參數(shù)，建立了等效彈性參數(shù)與胞元繞坐標系旋轉(zhuǎn)一角度的函數(shù)關系，考察了胞壁固體相的力學性能參數(shù)對宏觀力學性能的影響，并將數(shù)值計算結果與已有的理論公式進行了比較和分析。數(shù)值計算結果表明：正方形孔洞蜂窩材料是正交各向異性的，蜂窩結構的等效彈性參數(shù)主要由結構的相對密度來確定，對基體材料

3、的泊松比變化并不敏感。在相對密度較小(＜0.2)的情況下，Gibson公式和Kim公式與均勻化有限元結果吻合較好，當結構相對密度較大(＞0.25)時，須考慮胞棱附近區(qū)域由應力集中引起的應力和應變分布的影響。 2、通過對不同特征參數(shù)及不同基體材料的泡沫鋁合金的動態(tài)壓縮實驗，研究了孔徑、相對密度和不同基體材料對其壓縮力學性能的影響，并借助相關的力學模型對這種影響進行了分析；通過對其微觀變形機制的分析，探討了這種具有不規(guī)則孔形狀、相對

4、密度較高的開孔泡沫鋁合金在靜動態(tài)下的不同壓縮變形機制，結合對微觀變形機制的分析結果，借助相關的分析模型，分析了該種泡沫鋁應變率效應的產(chǎn)生機制，得出泡沫鋁合金的應變率效應是由動態(tài)條件下微結構變形的慣性效應、微觀變形不均勻和變形局部化導致的局部應變率升高、基體材料的應變率效應、泡孔內(nèi)氣體粘性流動、致密化過程中孔邊坍塌而相互碰撞以及不同的制備工藝等因素的綜合作用結果。 3、系統(tǒng)分析泡沫材料緩沖吸能特性評估的常用方法后，對不同應變率、不

5、同相對密度、不同基體材料以及不同孔徑的泡沫鋁合金的能量吸收能力，吸能效率、理想吸能效率和能量吸收圖進行了研究。結果表明：泡沫鋁合金材料的能量吸收能力主要取決于平臺區(qū)的高度和長度。 4、首次應用反分析法中的反卷積技術給出了SHPB實驗裝置中波導桿的傳遞函數(shù)h(t)，對實驗裝置進行了動態(tài)標定，完善了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，并利用傳遞函數(shù)h(t)，對泡沫鋁材料動態(tài)特性實驗中測得的波形進行了校正。校正后的應力一應變曲線其“平臺應力”與實驗測得的基