開孔泡沫金屬的彈塑性變形機(jī)制和傳熱特性研究.pdf

1、多孔金屬材料具有精巧的孔型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多尺度變化的孔徑尺寸以及極大的可復(fù)合性能，賦予其功能和結(jié)構(gòu)雙重屬性。其良好的力學(xué)、優(yōu)異的熱物理學(xué)和聲學(xué)等多功能特性，使其在吸能減震，強(qiáng)化換熱，消聲降噪，過濾分離等工程方面得到了極廣泛的應(yīng)用，并引起了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。然而，我國對于多孔金屬材料的研究和開發(fā)，與國外存在著較大差距。并且由于金屬泡沫具備多樣化的微觀結(jié)構(gòu)和胞孔形態(tài)，即使相同的載荷條件下單一的變形機(jī)制也不太可能適用于所有不同類型的泡沫。因此，有

2、必要對金屬泡沫材料的彈塑性變形機(jī)制和傳熱特性作進(jìn)一步的研究。本文使用ABAQUS有限元軟件建立開孔泡沫材料微結(jié)構(gòu)模型，開展了以下研究內(nèi)容:
　　(1)基于三維十四面體模型，用有限元方法研究了開孔鋁泡沫的動態(tài)壓縮性能。定性地分析了沖擊速度和相對密度對開孔泡沫變形模態(tài)、平臺應(yīng)力、密實化應(yīng)變和能量吸收的影響。
　　(2)基于Ashby的規(guī)則正立方體孔隙模型，研究了輕質(zhì)泡沫金屬材料的拓?fù)錁?gòu)型（孔隙率和孔徑大?。ζ錈醾鲗?dǎo)性能的影響。

3、利用最小熱阻法推導(dǎo)了開孔泡沫金屬氣固兩相的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)的表達(dá)式，并采用簡化的積分方法，得到了等效熱傳導(dǎo)系數(shù)的近似解析解。
　　(3)基于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)定律，利用ABAQUS有限元分析軟件計算了開孔泡沫金屬橫斷面的熱流密度分布，分析了具有不同孔隙率和孔徑大小的開孔泡沫材料的熱傳導(dǎo)性能。
　　經(jīng)數(shù)值模擬和理論分析，獲得主要結(jié)果包括:
　　(1)十四面體開孔鋁泡沫在不同范圍的沖擊速度下發(fā)生不同的變形失效模式:在低速下，呈現(xiàn)出彎

4、曲-屈曲的變形模式;在高速下，則呈現(xiàn)屈曲-彎曲-屈曲的變形模式。
　　(2)該種結(jié)構(gòu)金屬泡沫整體的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)曲線表現(xiàn)出兩種變形機(jī)制，在低速沖擊下傾向于變形機(jī)制Ⅰ，高速沖擊下傾向于變形機(jī)制Ⅱ。
　　(3)在相對密度較低的情況下，開孔金屬泡沫的平臺應(yīng)力和密實化應(yīng)變能對沖擊速度不敏感;在相對密度較高的情況下，卻對沖擊速度具有敏感性。開孔金屬泡沫的平臺應(yīng)力和密實化應(yīng)變能均可以通過提高相對密度得以增加。并且，相對密度對密實化應(yīng)變沒有

5、明顯的影響，沖擊速度對密實化應(yīng)變具有較大影響，但不存在單調(diào)的變化關(guān)系。
　　(4)多孔泡沫金屬的熱傳導(dǎo)系數(shù)的理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。且利用簡化的積分方法得到的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)的近似解析解與相應(yīng)的模擬結(jié)果具有更好的一致性，其誤差比基于熱電比擬法提出的最大值減小了13％。而且該公式在計算高孔隙率泡沫材料的等效傳熱系數(shù)時具有較高的精度。且多孔泡沫金屬的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨著孔隙率的增大而線性減小。當(dāng)孔隙率保持恒定時，熱傳導(dǎo)系數(shù)與孔徑的大小