新型多孔金屬材料動力學(xué)行為的有限元分析.pdf

1、多孔金屬材料由于具有高的比剛度、比強度，強緩沖吸能的能力，高滲透性以及高的熱傳導(dǎo)性等優(yōu)良特性使其在航空航天、汽車工業(yè)、建筑行業(yè)、包裝材料、艦船以及防護工程等領(lǐng)域大量使用。人們對多孔金屬材料的研究也又有了很長的歷史，從早期的天然多孔材料到工程中常見的鋁蜂窩和金屬泡沫，其靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)性能都被廣泛研究，特別是動態(tài)載荷下的變形機理和能量吸收以及應(yīng)變率等問題一直也是研究的熱點。隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展和安全工程需求的不斷提高，為了滿足更高的工程需

2、求各種追求輕質(zhì)、高強的新型多孔材料的設(shè)計和研究成為重點。
　　 本文用數(shù)值分析的方法系統(tǒng)的研究了兩種新型的多孔材料:chral型蜂窩和金屬空心球泡沫的動態(tài)力學(xué)性能。chral型蜂窩是由一個圓柱形殼壁相切連接多個肋板拓撲而形成的蜂窩結(jié)構(gòu)，由于相切肋板的連接方向和數(shù)目的不同從而會形成不同的蜂窩拓撲結(jié)構(gòu)，所以這種蜂窩結(jié)構(gòu)具有很好的多樣性，不同的拓撲結(jié)構(gòu)會表現(xiàn)出不同的力學(xué)性質(zhì)。金屬空心球泡沫材料是把許許多多的金屬空心球通過環(huán)氧樹脂、焊接

3、或者燒結(jié)等工藝方法結(jié)合在一起的塊狀泡沫，這種泡沫有一定的容積率，在每個球殼內(nèi)部和球殼與球殼結(jié)合之間都有空隙，所以它具有混合的閉孔和開孔特性，也正是如此使得泡沫材料具有很好的低密度，高強度和好的能量吸收特性。傳統(tǒng)工藝下的泡沫材料，不管是開孔泡沫還是閉孔泡沫的性能的穩(wěn)定性都不是太好，在力學(xué)性能上差別都很大，但隨著工藝技術(shù)的不斷提高，在工程生產(chǎn)中空心球的外徑和厚度可以很好的控制從而使得這種泡沫能夠具有很好的均勻性和力學(xué)性能的重復(fù)性，使得金屬空

4、心球泡沫材料的性能更加穩(wěn)定和可靠，這也是空心球型泡沫材料成為工程應(yīng)用關(guān)注的原因。
　　 由于材料以及實驗條件等的限制，目前對于這兩種多孔材料在實驗方面的研究還很少，并且主要集中于靜態(tài)或準靜態(tài)性能的研究，在高速沖擊、功能梯度、缺陷以及應(yīng)力增強這一塊就更少。本文針對這幾點做了詳細的探討，研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面:（一）針對chral型蜂窩在面外方向動態(tài)壓縮時的能量吸收展開了詳細的研究，探討了不同參數(shù)對其力學(xué)性能的影響，并引入了在

5、蜂窩壁上開貫穿孔減輕蜂窩質(zhì)量對蜂窩力學(xué)性能影響的好壞;（二）建立了三種空心球型泡沫模型:均勻型空心球泡沫、密度梯度型和隨機型空心球泡沫，分別研究了相對密度、沖擊速度，基體材料以及缺陷對泡沫材料力學(xué)性能的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明:chral型蜂窩材料在動態(tài)載荷在面外方向作用下，一個圓柱殼連接三條肋板的蜂窩結(jié)構(gòu)的吸能效果最好，引入貫穿孔之后能夠大大減輕蜂窩的質(zhì)量，并且提高了蜂窩材料單位質(zhì)量的能量吸收能力;空心球泡沫材料的強度隨著相對密度的提高