泡沫金屬的動態(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觀結構，從而具有超輕、高能量吸收等優(yōu)良的力學性能和減震、散熱、隔熱和電磁屏蔽等多功能復合特性。細觀結構的隨機性和缺陷可能對泡沫金屬的宏觀力學性能有較大的影響。實驗的方法很難討論細觀結構的隨機性等特性對泡沫金屬宏觀力學行為的影響，通過數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合結構在工程中的應用提供理論指導。動態(tài)沖擊情況下泡沫金屬的慣性效應和泡沫金屬材料的率

2、效應通常耦合在一起。然而泡沫金屬在動態(tài)沖擊過程中產生的變形局部化導致采用傳統(tǒng)的SHPB實驗的方法來解耦其慣性效應和作為材料的率效應是非常困難的。本文采用沖擊波理論對泡沫金屬的動態(tài)沖擊行為進行了理論分析，然后通過泡沫金屬材料應變場的計算方法，給出了泡沫金屬材料在沖擊過程中的應力-應變狀態(tài)等力學特性。
　　 基于三維隨機Voronoi技術，我們構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)計了泡沫金屬的不規(guī)則度與其細觀胞元體積

3、分布的相互關系。為保證泡沫金屬細觀有限元模型計算的正確性，對有限元網格的特征長度進行收斂性分析。研究表明開孔泡沫金屬和閉孔泡沫金屬在胞元數量很少的時候它們的平臺應力均隨著胞元數量的增加而增加，最終趨于一個穩(wěn)定的值。當胞元個數達到一定數量時，模型的尺度效應是可以忽略的。另外，通過數值模擬的方式討論了細觀結構的隨機性對于開孔和閉孔泡沫金屬模型宏觀動靜態(tài)力學行為的影響。研究表明，細觀結構的不規(guī)則度對開孔和閉孔泡沫金屬模型的宏觀動靜態(tài)力學性能的

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態(tài)塑性泊松比問題和微慣性效應問題。計算結果表明，無論對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，相對密度增加時，泡沫金屬塑性泊松比增加。微慣性對平臺應力的影響不大。實驗中側向約束情況下，閉孔泡沫金屬的壓潰應力隨著加載速率的提高而下降，這個現(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來給出較好的解釋。
　　 本文還研究了準靜態(tài)壓縮條件下閉孔泡沫金屬內部氣體壓強對其宏觀力學性能的影響。計算結果表明，在相對密度比較低的泡沫金屬模型中，泡沫金屬的應力增量是比較顯著的，泡沫金屬氣體壓強引起的應力增量也隨著名義應變的增大而增大。同時發(fā)現(xiàn)，當內部孔穴初始氣體壓強較大時，氣體壓強會對泡沫金屬的名義泊松比產生一定的影響。最后，通過數值模擬的結果，給出了泡沫金屬在內部氣體壓強

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

7、，發(fā)現(xiàn)該理論模型能夠較好的預測泡沫金屬桿撞擊剛性壁的力學行為。
　　 我們還對泡沫金屬材料在動態(tài)沖擊情況下的率敏感性進行了探討。動態(tài)沖擊過程中泡沫金屬產生的局部變形使得實驗中解耦其慣性效應和作為材料的率效應是非常困難的。為了研究泡沫金屬率效應的影響，泡沫金屬細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，借助于細觀模型的應變場的計算方法，可以獲得泡沫金屬模型動態(tài)沖擊下的應變分布。計算結果表明，泡沫金屬模型的動態(tài)壓實應變隨

8、著沖擊速度的增加而增大，且細觀有限元模型的動態(tài)壓實應變要大于采用準靜態(tài)本構關系定義的動態(tài)壓實應變和采用R-P-P-L模型定義的壓實應變。根據沖擊波理論，反推出沖擊波波陣面前方的應力值，發(fā)現(xiàn)沖擊波波陣面前方的應力值大于準靜態(tài)情況下的初始壓潰應力值。最后得出了泡沫金屬模型的動態(tài)下的應力-應變狀態(tài)，并發(fā)現(xiàn)動態(tài)應力-應變狀態(tài)和準靜態(tài)情況下的名義應力-應變關系有顯著差異的。通過分析細觀模型的變形模式給出了這種差異性的解釋，當前的結果表明變形模式的