利用Voronoi隨機模型研究多孔材料的動態(tài)特性.pdf

1、由于具有良好的力學性能和能量吸收的能力，多孔材料被廣泛用于交通、航空航天和包裝工業(yè)等領(lǐng)域中。壓縮時，多孔材料在應力幾乎不變的水平下顯示出范圍較寬的應變段，具有良好的能量吸收能力。同時，多孔材料還具有相對密度低、耐熱性和阻燃性等優(yōu)點:在交通及航空航天應用中，多孔材料常被用于吸收能量、緩沖高速撞擊及振動的結(jié)構(gòu)中(包括汽車碰撞、高速鐵道車輛前部的吸能器和宇宙飛船的著陸墊等)，其結(jié)構(gòu)往往受到爆炸,高速沖擊等強動態(tài)載荷作用。在包裝界多孔材料更是包

2、裝吸能材料的首選，它能夠吸收與沖擊方向無關(guān)的較高沖擊能量或由于減速而產(chǎn)生的慣性力的能量，避免內(nèi)含物遭受危險應力的作用。盡管多孔材料具有良好的吸能能力，但是受制備工藝的影響，多孔材料的力學性能并不能得到最佳程度的利用，這也影響其應用前景。為了開發(fā)最佳性能的多孔材料，探索微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學性能的關(guān)系，需要建立合適的幾何模型和數(shù)值模擬方法，這兩方面的研究已經(jīng)引起了許多研究者、多孔材料制造商及工業(yè)用戶們的濃厚興趣。因此，從這兩方面對多孔材料進行

3、動態(tài)特性的研究具有十分重要的科學研究意義和工程應用價值。 本文首先建立兩種幾何模型:一種是隨機擾動規(guī)則蜂窩模型，另一種是Voronoi隨機模型，然后用有限元程序LS-DYNA對Voronoi隨機模型進行有限元分析。在X1-X2平面內(nèi)，用加載板對其進行高速沖擊，研究了它的單元數(shù)目的敏感性和各向同性性質(zhì)，研究沖擊速度、幾何不完整性、相對密度和材料強化性能等對變形模態(tài)和能量吸收等的影響。 數(shù)值模擬結(jié)果表明，Voronoi模型對

4、布點個數(shù)和布點方式并不敏感(在N于一定值)；平臺應力在正交贏向性能一致，具有各向同性性質(zhì)；同時它的變形模態(tài)也隨不規(guī)則度、不均勻度和沖擊速度的不同而不同，當K=o、6=0時，在沖擊速度比較小的時憾。出現(xiàn)“X”、“V”形的局部變形帶，在沖擊速度比較大的時候，局部變形帶并不明顯，在沖擊面端出現(xiàn)了“Ⅰ”形的變形；當K=0、K=0.8或K=0.2、K=0時，Voronoi模型的變形并不出現(xiàn)“X”和“V”形的變形，在沖擊速度比較小的時候，出現(xiàn)幾條局

5、部變形帶，在沖擊速度比較大的時候，局部變形帶并不明顯，在沖擊面端出現(xiàn)了“Ⅰ”形的變形；發(fā)現(xiàn)在給定相對密度的情況下，多孔材料在某一不規(guī)則度泛值或某一不均勻度b值的范圍內(nèi)，具有較高的平臺應力、密實化應變能等；隨機刪去部分孔壁，平臺應力和密實化應變能減小的比例大于刪去孔壁的比例；能量吸收率也是在某一相對密度下具有較高值；材料強化模量越大，平臺應力也就越大，它對形狀規(guī)則的、厚度均勻的Voronoi模型影響較明顯，但是對不規(guī)則度和不均勻度大的模型