基于顯微ct技術(shù)的泡沫銅基本性能有限元預(yù)測方法研究

1、<p>　　基于顯微CT技術(shù)的泡沫銅基本性能</p><p><b>　　有限元預(yù)測方法研究</b></p><p>　　Finite Element Analysis</p><p>　　for the Basic Performance of Copper Foam</p><p>　　Based on M

2、icro-Computed Tomography</p><p>　　一級學(xué)科： 材料科學(xué)與工程 </p><p>　　學(xué)科專業(yè)： 材 料 學(xué) </p><p>　　作者姓名： </p><p>　　指導(dǎo)老師：

3、 </p><p><b>　　20XX年12月</b></p><p><b>　　中文摘要</b></p><p>　　本文以航空發(fā)動機對離心通風(fēng)器輕質(zhì)、緊湊、高效的需求為背景，以10PPI聚氨酯海綿為基體，采用超聲波輔助電沉積工藝制備泡沫銅材料。通過對泡沫銅孔結(jié)構(gòu)進行三維重構(gòu)，建

4、立了與電沉積泡沫銅的真實三維結(jié)構(gòu)相一致的有限元簡化模型——十四面體三棱柱模型?；谑拿骟w三棱柱模型，開展了對泡沫銅基本性能、滲流和對流換熱性能的有限元計算方法研究，深入研究了十四面體三棱柱單胞模型對各項性能的影響，建立了孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與各項性能之間的定量關(guān)系，并對模型進行優(yōu)化設(shè)計。</p><p>　　采用顯微CT對泡沫銅試樣進行斷層掃描，得到一系列泡沫銅試樣的二維斷層圖像。對圖片進行閾值分割處理，通過Origin

5、軟件計算出一定閾值下泡沫銅試樣的孔隙率，并由排水法測得試樣的孔隙率，對比孔隙率的計算值和測試值，確定最終的試樣閾值?；谂菽~的顯微CT斷層掃描結(jié)果，對泡沫銅孔結(jié)構(gòu)進行三維重構(gòu)，泡沫銅孔洞分布均勻，孔的三維結(jié)構(gòu)近似為十四面體。利用ANSYS軟件的前處理模塊，以十四面體為基體，建立泡沫銅有限元簡化模型——十四面體三棱柱模型，該模型較好地反映了泡沫銅的三維結(jié)構(gòu)特征。</p><p>　　基于胡克定律對泡沫銅試樣進行單

6、軸壓縮屈服強度測試，并利用ANSYS有限元軟件對泡沫銅屈服強度進行有限元模擬。根據(jù)上端面應(yīng)力變化和位移變化，得出應(yīng)力應(yīng)變曲線，進一步計算出泡沫銅的屈服強度。泡沫銅在單軸應(yīng)力作用下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線數(shù)值模擬結(jié)果和試驗測試結(jié)果有著良好的一致性。由于十四面體具有高度的對稱性，泡沫銅的等效應(yīng)力整體分布較為均勻，棱相交的地方由于形狀的突變導(dǎo)致應(yīng)力較為集中，隨著應(yīng)力的增加該區(qū)域?qū)?yōu)先發(fā)生塑形變形；峰值應(yīng)力主要集中在泡沫銅棱相交的區(qū)域，塑形變形從該區(qū)域

7、開始逐漸向四周擴展，當載荷超出泡沫銅承載極限時，失效發(fā)生。隨泡沫銅的孔隙率增加，其屈服強度呈指數(shù)冪減小。</p><p>　　基于傅里葉熱傳導(dǎo)方程對泡沫銅的有效熱導(dǎo)率進行試驗測定，并利用ANSYS有限元軟件對泡沫銅的有效熱導(dǎo)率進行有限元模擬。泡沫銅的有效熱導(dǎo)率的有限元計算結(jié)果和試驗測試結(jié)果有著良好的一致性。由于泡沫銅的多孔結(jié)構(gòu)，熱流密度在模型上的分布不均勻，泡沫銅棱相交處熱流密度最大，更易產(chǎn)生熱應(yīng)力集中，失效易于

8、從此處發(fā)生。泡沫銅的有效熱導(dǎo)率基本不隨孔密度規(guī)格的變化而變化。隨著泡沫銅孔隙率的增大，其孔棱橫截面積減小，有效熱導(dǎo)率隨之降低。</p><p>　　基于Forchheimer-extend-Darcy定律對泡沫銅式樣的滲流和對流換熱性能進行測試，并利用Fluent軟件對泡沫銅滲流和對流換熱性能進行有限元計算。泡沫銅滲流和對流換熱性能的有限元計算結(jié)果和試驗測試結(jié)果有著良好的一致性。泡沫銅的滲流性能隨著孔隙率減小而降

9、低。低孔密度、高孔隙率的泡沫銅的滲透性能較好。對流換熱系數(shù)隨孔密度增加而變大，隨孔隙率的提高而減小。在高孔隙率條件下，泡沫銅骨架內(nèi)的固相熱傳導(dǎo)過程對孔隙率的變化較為敏感，當孔隙率減小、即表觀密度增加時，固相熱傳導(dǎo)的作用明顯增強，從而有利于對流換熱能力提高。增大流速、提高泡沫金屬孔密度，均可增強泡沫金屬的對流換熱性能。</p><p>　　對泡沫銅孔結(jié)構(gòu)進行主動優(yōu)化設(shè)計，得到泡沫銅十四面體圓柱棱模型。對相同孔結(jié)構(gòu)參

10、數(shù)的泡沫銅十四面體圓柱棱模型進行有限元分析。相同孔隙率和孔密度條件下，泡沫銅十四面體圓柱棱模型的壓縮屈服強度和有效熱導(dǎo)率較高，滲流和對流換熱性能與十四面體三棱柱模型相比也更為優(yōu)異。即十四面體圓柱棱結(jié)構(gòu)泡沫銅單胞模型最優(yōu)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：泡沫銅，顯微CT技術(shù)，有限元計算，屈服強度，有效熱導(dǎo)率，滲流性能，對流換熱性能，結(jié)構(gòu)優(yōu)化</p><p><b>　　ABSTR

11、ACT</b></p><p>　　Aeroengine centrifugal ventilator is developing toward lightweight, compact and high-performance. 10 PPI polyurethane sponge is used as the matrix and copper foam is prepared by electr

12、o deposition process with ultrasonic. Three-dimensional structure of copper foam is reconstructed，and furthermore, the tetrakaidecahedron tri-prism model as the simplified finite element model of copper foam is establish

13、ed by using the ANSYS finite element analysis software, which can reflect the structure of coppe</p><p>　　The copper foam specimens are scanned using the Micro – CT and a set of 2D tomography images are obta

14、ined. Image segmentation is processed in MATLAB, the porosity of copper foam with a certain threshold is calculated by Origin software. Comparing with the porosity measured by drainage method, the final threshold value o

15、f specimens is determined. On the basis, the 3D structure of copper foam is reconstructed. It can be observed that the internal spatial structure of copper foam is regular with it</p><p>　　Based on the Hooke

16、's law, Uniaxial compression yield strength of copper foam samples are tested, and the ANSYS finite element analysis software is used in numerical simulation for the compressive yield strength of copper foam. Accordi

17、ng to the change of stress and displacement of the top surface, the stress-strain curve is drawn and the yield strength of copper foam is calculated in addition. Both stress-strain curves of numerical simulation and expe

18、rimental testing under uniaxial stress with co</p><p>　　Based on the Fourier heat conduction equation, the effective thermal conductivity of copper foam is texted, and the ANSYS finite element analysis softw

19、are is used in numerical simulation for the effective thermal conductivity of copper foam. The numerical simulation results of the effective thermal conductivity of foam copper are in good agreement with the test results

20、. The distribution of heat flux is uneven on the model because of the porous structure of copper foam. While the peak of thermal </p><p>　　Based on the Forchheimer-extend-Darcy law, the permeability and the

21、convective heat transfer of copper foam is texted, and the Fluent software is used in numerical simulation for the permeability and the convective heat transfer of copper foam. The numerical simulation results of the per

22、meability and the convective heat transfer of foam copper are in good agreement with the test results. The permeability of copper foam decreases with the porosity decreases. And the copper foam with lower porosit</p&g

23、t;<p>　　The structure of copper foam is optimized, and then the tetrakaidecahedron cylinder model is established. The finite element analyses are carried out based on the tetrakaidecahedron cylinder model of coppe

24、r foam with the same pore structure parameters. The compressive yield strength and the effective thermal conductivity of the tetrakaidecahedron cylinder model of foam copper are higher, the permeability and the convectiv

25、e heat transfer are also better than the tetrakaidekahedron tri-prism model</p><p>　　Key words: Copper foam, Micro-computed tomography, Finite element analysis, Yield strength, Effective thermal conductivity

26、, Permeability, Convective heat transfer, Optimization design</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　中文摘要i</b></p><p>　　ABSTRACTiii</p><p><b>　　

27、目錄vi</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究背景及意義1</p><p><b>　　1.2泡沫金屬2</b></p><p>　　1.2.1泡沫金屬的基本定義3</p><p>　　1.2.2泡

28、沫金屬的制備方法4</p><p>　　1.3 泡沫金屬的研究現(xiàn)狀及分析5</p><p>　　1.3.1 泡沫金屬的性能5</p><p>　　1.3.2 泡沫金屬性能的數(shù)值模擬研究8</p><p>　　1.3.3 泡沫金屬的應(yīng)用11</p><p>　　1.4 有限元法及相關(guān)軟件11</p>

29、;<p>　　1.4.1 有限元方法11</p><p>　　1.4.2 ANSYS軟件包12</p><p>　　1.4.3 Fluent軟件包12</p><p>　　1.5 本文研究目的及主要研究內(nèi)容13</p><p>　　1.5.1 研究目的13</p><p>　　1.5.2 研究內(nèi)

30、容及技術(shù)路線13</p><p>　　第二章 泡沫銅孔結(jié)構(gòu)的三維重構(gòu)及有限元模型建立17</p><p><b>　　2.1 引言17</b></p><p>　　2.2 實驗材料17</p><p>　　2.3 泡沫銅的顯微CT掃描18</p><p>　　2.3.1顯微CT斷層掃描機

31、理18</p><p>　　2.3.2泡沫銅的顯微CT掃描結(jié)果19</p><p>　　2.4 圖像分割處理21</p><p>　　2.4.1 圖像灰度閾值分割21</p><p>　　2.4.2 閾值選取方法22</p><p>　　2.5 泡沫銅三維結(jié)構(gòu)的重構(gòu)24</p><p&g

32、t;　　2.6 泡沫銅有限元模型25</p><p>　　2.6.1 基于顯微CT掃描結(jié)果的模型提取25</p><p>　　2.6.2 泡沫銅有限元模型的簡化25</p><p>　　2.7 本章小結(jié)26</p><p>　　第三章 泡沫銅基本性能的有限元研究28</p><p><b>　　3.

33、1 引言28</b></p><p>　　3.2 泡沫銅基本性能試驗測試研究28</p><p>　　3.2.1泡沫銅基本性能測試原理28</p><p>　　3.2.2泡沫銅基本性能試驗測試30</p><p>　　3.3 泡沫銅基本性能有限元計算研究31</p><p>　　3.3.1 有限元

34、網(wǎng)格模型31</p><p>　　3.3.2 泡沫銅基本性能的有限元計算結(jié)果與分析33</p><p>　　3.4 泡沫銅孔結(jié)構(gòu)對基本性能的影響35</p><p>　　3.4.1 泡沫銅孔結(jié)構(gòu)對其壓縮屈服強度的影響研究35</p><p>　　3.4.2 泡沫銅孔結(jié)構(gòu)對其有效熱導(dǎo)率的影響研究37</p><p&

35、gt;　　3.4.3 孔密度和孔隙率對泡沫銅基本性能的影響38</p><p>　　3.5 本章小結(jié)42</p><p>　　第四章 泡沫銅滲流和對流換熱性能的有限元研究44</p><p><b>　　4.1 引言44</b></p><p>　　4.2泡沫銅滲流和對流換熱性能的試驗測試44</p>

36、;<p>　　4.2.1泡沫銅滲流和對流換熱性能的計算原理44</p><p>　　4.2.2泡沫銅滲流和對流換熱性能的測試46</p><p>　　4.3泡沫銅滲流和對流換熱性能的有限元計算研究47</p><p>　　4.3.1 有限元模型47</p><p>　　4.3.2 泡沫銅滲流性能的有限元計算研究48&l

37、t;/p><p>　　4.3.3 泡沫金屬滲流性能的數(shù)值模擬結(jié)果及分析49</p><p>　　4.4 泡沫銅孔結(jié)構(gòu)對其基本性能的影響51</p><p>　　4.4.1 孔密度對滲流性能和換熱性能的影響51</p><p>　　4.4.2 孔隙率對滲流性能和換熱性能的影響58</p><p>　　4.5 本章小結(jié)

38、61</p><p>　　第五章 泡沫銅孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計63</p><p><b>　　5.1 引言63</b></p><p>　　5.2 泡沫銅孔結(jié)構(gòu)設(shè)計63</p><p>　　5.3 不同結(jié)構(gòu)泡沫銅模型的性能對比分析64</p><p>　　5.3.1壓縮屈服強度對比64<

39、;/p><p>　　5.3.2 有效熱導(dǎo)率對比64</p><p>　　5.3.3 滲流性能對比66</p><p>　　5.3.4 換熱性能對比67</p><p>　　5.4 本章小結(jié)67</p><p>　　第六章 結(jié)論與展望69</p><p>　　6.1本文結(jié)論69</p

40、><p>　　6.2工作展望70</p><p><b>　　參考文獻71</b></p><p>　　發(fā)表論文情況說明76</p><p><b>　　致謝77</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><

41、;p>　　1.1 研究背景及意義</p><p>　　離心通風(fēng)器是航空發(fā)動機傳動潤滑系統(tǒng)的重要組成部分，它通常裝配于傳動潤滑系統(tǒng)末端的排氣口處，主要利用離心力場對傳動系統(tǒng)中的潤滑油和熱氣進行有效分離，在不影響通風(fēng)排氣的前提下對潤滑油進行有效收集，使?jié)櫥偷靡匝h(huán)利用，從而保障傳動系統(tǒng)能夠長時間運轉(zhuǎn)在正常潤滑狀態(tài)下。傳統(tǒng)離心通風(fēng)器效率低下，將導(dǎo)致潤滑油消耗量過大，直接限制戰(zhàn)機機動能力與航程，同時一旦離心通風(fēng)器

42、發(fā)生故障，將帶來傳動機構(gòu)潤滑不足直至整個發(fā)動機失效的嚴重后果。</p><p>　　目前軍用航空發(fā)動機大多采用管殼式的離心通風(fēng)器，其分離效率低，且重量大，導(dǎo)致潤滑油消耗量大，傳動潤滑系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性不高，且該結(jié)構(gòu)通風(fēng)器經(jīng)通過優(yōu)化設(shè)計及試驗驗證證明，幾乎沒有提高的余地。同時其結(jié)構(gòu)尺寸及重量過大，難以保證在超高設(shè)計轉(zhuǎn)速下長時間可靠的工作。資料表明，國外發(fā)動機采用了泡沫金屬作為離心通風(fēng)器油氣分離介質(zhì)，如圖1-1所示，新

43、型通風(fēng)器油氣分離效率明顯提升，潤滑油消耗量顯著降低。</p><p>　　圖1-1 國外離心通風(fēng)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　綜上所述，為滿足航空發(fā)動機的性能需求，急需開展泡沫金屬的制備技術(shù)與性能表征研究，并通過多尺度優(yōu)化設(shè)計滿足不同轉(zhuǎn)速條件下高效離心通風(fēng)器的設(shè)計需求，實現(xiàn)提高通風(fēng)效率、降低通風(fēng)阻力、減輕通風(fēng)器重量、減小通風(fēng)器體積的目標，滿足航空發(fā)動機研制、批產(chǎn)及未來發(fā)展的需要。</p

44、><p>　　泡沫金屬材料被視為高效能結(jié)構(gòu)功能一體化材料的典型代表?；谄淙S通孔的結(jié)構(gòu)特點，該材料在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上展示出高效的力、熱、聲、電等綜合性能，同時能夠較好耐受高溫、腐蝕等特殊工況要求。研究表明，將該材料的高效能特性移植于武器裝備中的分離、熱控、催化、阻尼、電極、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)等應(yīng)用方向，緊密契合了軍工各行業(yè)相關(guān)器件的先進設(shè)計思想。</p><p>　　目前泡沫金屬材料的研發(fā)流程基本如圖1

45、-2所示。在泡沫金屬材料制備過程中，通過工藝可直接控制的因素包括材質(zhì)屬性以及孔徑、孔隙率等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)等，然而通過材質(zhì)屬性與孔結(jié)構(gòu)參數(shù)無法直接獲得相關(guān)應(yīng)用性能。在前期探索試驗過程中，基本憑借經(jīng)驗對設(shè)計需求進行分析，采用簡單估算的方式進行材質(zhì)與結(jié)構(gòu)的選擇，帶來了大量的篩選選型工作，樣件試制周期漫長，難以保證型號進度，對科研經(jīng)費也產(chǎn)生較大的浪費，更重要的是各參數(shù)之間難以獲得最科學(xué)的匹配，材料的高效能特性無法充分發(fā)揮。</p>&

46、lt;p>　　圖1-2 泡沫金屬基本屬性—材料性能—應(yīng)用性能對應(yīng)關(guān)系</p><p>　　經(jīng)過前期研究分析發(fā)現(xiàn)，即便針對不同應(yīng)用方向的設(shè)計需求，并結(jié)合相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的工況要求，關(guān)鍵的應(yīng)用性能指標主要集中在三個方面：1)承載、沖擊等力學(xué)性能需求；2)流阻特性要求；3)分離效率、換熱效率、催化效率等效率特性。通常情況下，與以上三方面性能指標分別與材料的力學(xué)性能、滲流特性與比表面積存在較好的對應(yīng)關(guān)系。因此，探索材料

47、基本屬性與性能之間的影響關(guān)系，建立相關(guān)數(shù)學(xué)聯(lián)系，成為泡沫金屬材料研發(fā)過程中的關(guān)鍵。</p><p><b>　　1.2泡沫金屬</b></p><p>　　廣義上，泡沫金屬材料是20世紀40年代以來興起的由固相金屬基骨架和分散或連續(xù)的流體相組成的二相金屬基復(fù)合材料。因此，泡沫金屬材料不僅有金屬的屬性，還有氣泡的特性[1]。H. P. Degischer認為[2]多孔泡

48、沫材料是指金屬基體中含有一定數(shù)量、一定尺寸孔徑及一定孔隙率的金屬材料。何德坪則認為[3]泡沫金屬材料是指在結(jié)構(gòu)材料中引入各種受控的孔洞（球形，多邊形，不同孔徑、孔隙率），同時調(diào)節(jié)其基體金屬，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)材料輕質(zhì)多功能化的一類結(jié)構(gòu)功能一體化材料[4; 5]。泡沫金屬材料中，具有三維連通的孔隙的被稱為開孔泡沫金屬材料；而內(nèi)部的孔隙相互獨立的被稱為閉孔泡沫金屬材料[1]。</p><p>　　一般來說，泡沫金屬是指孔隙率9

49、0%以上，孔徑0.5~0.6mm，并具有一定機械性能的泡沫金屬材料。而孔徑小于0.3mm，孔隙率在45%~90%之間的，被稱為泡沫金屬。</p><p>　　1.2.1泡沫金屬的基本定義</p><p>　　泡沫金屬以其內(nèi)部存在的一系列具有特殊功用的孔結(jié)構(gòu)區(qū)別于致密金屬材料。作為有益相，泡沫金屬內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)不同于致密金屬材料在鑄造時產(chǎn)生的氣孔或疏松等組織缺陷，它們和泡沫金屬的固相金屬骨架共

50、同決定著泡沫金屬的性能表現(xiàn)。通常，泡沫金屬的孔結(jié)構(gòu)由下列幾何參數(shù)進行表征：</p><p>　　（1）孔隙率（porosity）：即泡沫金屬材料的單胞中固相金屬骨架間孔隙所占的體積與該單胞總體積（包括氣孔結(jié)構(gòu)）V的比值，即</p><p>　　當泡沫金屬材料被流體充滿時，Vf就是流體所占的空間體積，因此，泡沫金屬材料的孔隙率P可以用排水法或稱重法實驗測得[6]?？紫堵蔖是泡沫金屬材料研究和

51、應(yīng)用中最重要的參數(shù)之一。</p><p>　?。?）孔密度（pore density）：即每線性英寸上孔的數(shù)目（PPI）。</p><p>　?。?）比表面積：即泡沫金屬材料的單胞中固相金屬骨架的總表面積與該單胞總體積（包括氣孔結(jié)構(gòu)）V的比值，即</p><p>　　式中，的單位是 m2/m3，在相同體積的單胞中，正比于，對于固相金屬骨架較為細小的泡沫金屬材料，其骨

52、架表面積要大于粗骨架的泡沫金屬材料，因此骨架越細，所對應(yīng)的比表面積越大。比表面積是一個對泡沫金屬材料傳熱傳質(zhì)具有一定影響的參數(shù)。</p><p>　　（4）孔徑（d）：即泡沫金屬材料孔結(jié)構(gòu)的平均直徑。泡沫金屬材料的孔徑一般較大，孔徑范圍一般在0.1~10mm之間。通過改變工藝參數(shù)，可以獲得更小孔徑[7]的泡沫金屬?？讖降臏y量方法有截面直接觀測法、氣泡法、透過法、X射線小角度散射法等[8]。</p>

53、<p>　?。?）有效熱導(dǎo)率：利用換熱當量法研究泡沫金屬材料內(nèi)部換熱問題時，有效熱導(dǎo)率即表達其導(dǎo)熱、對流、輻射傳熱等綜合換熱性能，其計算公式為：</p><p>　　其中，J為與試樣上、下表面平行的任意截面的熱流密度； 為流經(jīng)試樣的總熱量； ，為上下表面的溫度差；為試樣截面的面積；L為試樣高度。</p><p>　　1.2.2泡沫金屬的制備方法</p><p&

54、gt;　　目前，國內(nèi)外對于泡沫金屬制備工藝[9]的研究已具備一定的成熟度。隨著新技術(shù)和新方法的提出，泡沫金屬的制備方法已經(jīng)發(fā)展到數(shù)十種。對于不同的應(yīng)用環(huán)境和結(jié)構(gòu)需求，所采用的制備工藝方法也不盡相同。一般來講，應(yīng)用較為成熟的泡沫金屬制備方法主要有以下幾種[10]：（1）粉末冶金法；（2）纖維冶金法；（3）鑄造法；（4）金屬沉積法。不同的制備工藝具有各自的優(yōu)缺點，而制備工藝方法的共同原理簡化如圖1-3：</p><p&g

55、t;　　圖1-3泡沫金屬樣品的制備流程圖</p><p><b>　?。?）粉末冶金法</b></p><p>　　粉末冶金法是最早發(fā)展的泡沫金屬材料的制備方法之一，其基本原理是將金屬粉末與發(fā)泡劑按一定比例混合，加工形成具有一定氣密結(jié)構(gòu)的半成品，然后加熱使發(fā)泡劑充分分解，釋放出氣體，從而使半成品膨脹，最終形成泡沫金屬材料。一般用此方法制備的多孔泡沫金屬孔隙率不高于30

56、%，孔徑大都小于0.3mm。雖然這種方法的工藝比較復(fù)雜、成本較高，但相對于有機和陶瓷多孔泡沫材料，能夠在一定程度上同時滿足高溫條件下的強度和塑性要求，因此得到迅速發(fā)展。</p><p><b>　?。?）纖維冶金法</b></p><p>　　纖維冶金法是對粉末冶金法進一步改進與完善的結(jié)果，與粉末冶金法相比，纖維冶金法中將金屬粉末替換為金屬纖維來制備泡沫金屬材料。通過

57、這種方法制備的泡沫金屬材料性能要優(yōu)于粉末冶金法制備的泡沫金屬材料，并且其孔隙率可高達90%以上。</p><p><b>　?。?）鑄造法</b></p><p>　　鑄造法是通過對熔融金屬或者合金進行冷凝以制備泡沫金屬材料的方法。隨著鑄造條件的變化，形成的孔隙有著不同的形狀，且孔隙分布較寬。同其他制備工藝相比，鑄造法制造成本較低，生產(chǎn)工藝簡單，便于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，

58、其典型產(chǎn)品為泡沫鋁。</p><p><b>　?。?）金屬沉積法</b></p><p>　　金屬沉積法是金屬原子在有機多孔基體內(nèi)表面沉積，然后去除有機基體，并加以燒結(jié)，進而制備多孔泡沫金屬的方法。該方法主要有物理氣相沉積法（PVD）和化學(xué)氣相沉積法（CVD），主要特點是形成的孔是連通的，孔隙率比較高，且具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。通過金屬沉積法制備的泡沫金屬材料在泡沫金屬領(lǐng)

59、域占有很重要的地位。</p><p>　　除此以外，還有其他制備泡沫金屬材料的工藝方法，其中有的是對上述方法的改進，有的則是新的工藝方法。其中，趙鵬等人采用化學(xué)鍍法制備泡沫鎳等泡沫金屬材料，Ken等人[11]利用快速成型方法制造的泡沫結(jié)構(gòu)陶瓷具有更高的結(jié)構(gòu)強度。</p><p>　　1.3 泡沫金屬的研究現(xiàn)狀及分析</p><p>　　我國在泡沫金屬領(lǐng)域的研究開始于

60、上世紀80年代，相對于發(fā)達國家對泡沫金屬的研究，雖然起步較晚，但在此領(lǐng)域的發(fā)展很快。從進入此領(lǐng)域開始，部分高校院所已經(jīng)對泡沫金屬的制備研究開展了大量工作。但是對此方面的研究和國外同行相比，仍然存在著很大的差距。</p><p>　　美國人B.Sosnick[12]1943年首次開展泡沫金屬的制備研究，1948年通過汞在熔融金屬鋁中的氣化發(fā)泡得到泡沫鋁，泡沫金屬的研究和應(yīng)用正式拉開了帷幕。1956年，Elliott

61、[13]則首先通過實驗開發(fā)出了通過熔體發(fā)泡法來制備泡沫鋁的技術(shù)。于是，各國科學(xué)家開始對多孔泡沫金屬近六十年的研究與開發(fā)。近年來，泡沫金屬已經(jīng)成為材料科學(xué)基礎(chǔ)研究和高技術(shù)應(yīng)用研究中的國際前沿領(lǐng)域[14-16]。目前日本和美國等發(fā)達國家在此領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，同時也已經(jīng)迸發(fā)出了許多的泡沫金屬產(chǎn)品公司。</p><p>　　國內(nèi)對多孔泡沫金屬的研究主要有兩個方面，即對多孔泡沫金屬制備工藝和各項性能的研究[17]。就目前而

62、言，國內(nèi)對泡沫金屬的研究主要集中在制備工藝方面，而對其性能研究展開的工作并不是很多。</p><p>　　1.3.1 泡沫金屬的性能</p><p>　　泡沫金屬的主要性能有機械性能、傳熱傳質(zhì)性能、聲學(xué)性能、電學(xué)和電磁學(xué)性能等。以應(yīng)用為導(dǎo)向時，泡沫金屬所有性能中最基本的性能是機械性能和傳熱傳質(zhì)性能。本文中，主要研究泡沫金屬的壓縮屈服強度、有效熱導(dǎo)率及滲流和對流傳熱性能。</p>

63、<p>　?。?） 泡沫金屬的壓縮屈服強度</p><p>　　作為結(jié)構(gòu)、功能材料，良好的機械性能是泡沫金屬材料應(yīng)用的必要條件，因此，對于其機械性能的研究必不可少[18]。如圖1-4所示，泡沫金屬的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線可大致分為三個階段：彈性變形階段(elastic stage)，即應(yīng)變較小時，材料處于線彈性階段；屈服平臺階段(plateau stage)，即隨著應(yīng)變的增加，曲線出現(xiàn)一個平臺，應(yīng)力基本

64、保持不變；致密化階段(densification stage)，應(yīng)變繼續(xù)增加，孔洞被擠壓，致使材料被壓實，應(yīng)力隨應(yīng)變進一步增大[19]。泡沫金屬在壓縮過程中具有較長的屈服平臺階段，可以在比較穩(wěn)定的應(yīng)力水平下吸收大量能量，這說明泡沫金屬具有很強的能量吸收能力。泡沫金屬的壓縮屈服強度應(yīng)等于平臺區(qū)域?qū)?yīng)的應(yīng)力[20]，其屈服極限與相對密度的2/3次方成正比。閉孔泡沫鋁的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線與開孔泡沫鋁的有所不同，隨著應(yīng)變增大其平臺應(yīng)力明顯增加，

65、它沒有平坦的平臺區(qū)[21]。泡沫金屬表現(xiàn)出來優(yōu)異的壓縮性能，使人們對其作為吸能材料產(chǎn)生了濃厚興趣，并進行了大量的工程化研究。</p><p>　　圖1-4 準靜態(tài)單軸壓縮過程中泡沫金屬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　Banhart, J.和Baumeister, J.[22]采用單軸壓縮實驗研究了泡沫鋁和泡沫鋅的屈服強度，結(jié)果表明孔隙率(相對密度)是泡沫金屬屈服強度的主要影響因素；R

66、amakrishnan和Arunachalam[23]通過有限元分析簡化的球形孔模型得出泡沫金屬彈性模量與孔隙度的關(guān)系。Chawla[24]和Beiss[25]等研究了泡沫金屬的強度與其密度、孔形因子之間的關(guān)系。Gibson和劉培生[26]等人分析研究了泡沫金屬在壓縮條件下彈性模量、破壞應(yīng)力與相對密度的關(guān)系。Ledoux[27]建立了泡沫FeCrAl和不銹鋼的機械性能與溫度和相對密度的關(guān)系。多孔材料基本力學(xué)性能主要包括楊氏模量、抗拉壓強

67、度、斷裂性能等。Ashby等人[28]利用簡單的彎曲支柱模型研究了立方體孔結(jié)構(gòu)泡沫材料的彈性性能，并建立了楊氏模量與密度之間的關(guān)系模型；Chen等人[29; 30]用有限元方法研究了蜂窩狀泡沫材料在裂紋隨機分布情況下，孔洞對規(guī)則六邊形泡沫材料的彈性模量的影響；Gibson等人[31-33]利用有限元方法分析了單胞尺寸、缺陷尺寸對泡沫材料彈性模量、屈服強度、斷裂韌性等性能的影響；Simon</p><p>　　劉培

68、生等[41]從宏觀的角度對泡沫鎳的拉伸斷裂現(xiàn)象進行了實驗研究。韓春光等[42]對泡沫鋁拉伸破壞的圖像進行了分析，盧天健等人[39; 43]研究了泡沫金屬的孔結(jié)構(gòu)對應(yīng)力波傳遞的影響。</p><p>　　此外不少研究人員對泡沫金屬動態(tài)壓縮性能以及單向拉伸力學(xué)行為進行了實驗，總結(jié)出了一些經(jīng)驗公式。</p><p>　　一般來說，泡沫金屬的許多力學(xué)性能，泡沫金屬材料性能符合冪指數(shù)形式[44-46

69、]</p><p>　　其中，表示泡沫金屬的某一性能； 表示泡沫金屬的性能系數(shù)； 表示該金屬的性能；表示孔隙率；是冪指數(shù)。</p><p>　　但是由于泡沫金屬機械性能影響因素眾多，現(xiàn)在已經(jīng)建立的關(guān)于泡沫金屬機械性能的計算方程都引入了假定參量或修正系數(shù)，因此，使得泡沫金屬的機械性能計算存在著一些不確定性。</p><p>　?。?） 泡沫金屬的有效熱導(dǎo)率</p

70、><p>　　由于泡沫金屬材料孔隙中存在有低導(dǎo)熱系數(shù)的空氣介質(zhì)，所以其隔熱性能較基體金屬存在很大優(yōu)勢，但是其熱導(dǎo)率卻比基體金屬實際的熱導(dǎo)率低得多。一般來說，大部分金屬或合金的導(dǎo)熱系數(shù)在10~300 W/(m?K)之間，而對于泡沫金屬材料，其有效熱導(dǎo)率僅為金屬或合金的1/10~1/100倍。國內(nèi)一些研究人員通過相關(guān)實驗證明了通孔泡沫鋁具有較低的導(dǎo)熱率[47]。但是對于具有通孔結(jié)構(gòu)的泡沫金屬材料來講，若將其放于流動的介質(zhì)

71、中時，由于泡沫金屬具有高的比表面積、復(fù)雜的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使得泡沫金屬具有很好的散熱能力[1]。</p><p>　?。?）泡沫金屬的滲流和對流換熱性能</p><p>　　泡沫金屬內(nèi)部流體通道不規(guī)則，能夠?qū)崿F(xiàn)對流體的三維復(fù)雜擾動、打破邊界層限制。另外，與常見的板翅式換熱器相比，雖然二者具有的比表面積相近，但是泡沫金屬的比強度高、成型工藝相對簡單、加工成本較低[48; 49]。因此，泡沫

72、金屬的滲流和對流換熱性能受到越來越多研究者的高度關(guān)注。</p><p>　　泡沫金屬的滲流和對流換熱性能[50; 51]性能是其應(yīng)用于換熱器的兩個關(guān)鍵指標。泡沫金屬的滲流性能受其孔結(jié)構(gòu)參數(shù)（孔密度、孔隙率）的影響，對流換熱性能則受孔結(jié)構(gòu)參數(shù)和材質(zhì)熱導(dǎo)率的共同影響。</p><p>　　在滲流特性的研究方面，當前研究認為，高孔隙率泡沫金屬中大量形狀不規(guī)則的曲折流動通道可以持續(xù)不斷地打亂流體的

73、邊界層，流體流動狀態(tài)經(jīng)常發(fā)生回流、湍流和非穩(wěn)態(tài)流動，從而使?jié)B流特性影響因素變得異常復(fù)雜。Hwang[52] 研究了空氣通過壓縮的孔隙率為70，80和95%，10PPI泡沫鋁的滲透性，但沒有給出滲透系數(shù)或慣性系數(shù)關(guān)于結(jié)構(gòu)參數(shù)的表達式。更多的研究均開展了關(guān)于滲流特性影響因素的探討，認為金屬泡沫的滲流特性受孔結(jié)構(gòu)因素的影響很大，并試圖建立影響關(guān)系模型。Stemmet[53]研究了氣體和液體通過5-40PPI，孔隙率為92-94%的泡沫金屬，結(jié)

74、果表明小孔徑泡沫金屬中表現(xiàn)出的壓降較大，認為這是由于其中流動通道內(nèi)的節(jié)點數(shù)的增加。Kim[54]等以水為介質(zhì)對孔隙率為90%～96%泡沫金屬翅片的摩擦阻力進行研究，認為滲透率與孔隙率有很大關(guān)系。Liu[55]進行了空氣通過高孔隙率泡沫鋁的壓降的測試，結(jié)果表明由顆粒材料引起的壓降比同孔隙率的泡沫金屬引起的壓降高八倍，認為這是由于顆粒材料高的潤濕表面積造成的。Dukhan等[56]對被壓縮金屬泡沫的空氣流動作了分析，發(fā)現(xiàn)空氣通過被壓縮金屬泡

75、沫的壓降明顯增</p><p>　　在泡沫金屬增強換熱應(yīng)用研究方面，人們較多研究以單一結(jié)構(gòu)泡沫金屬作為增強換熱材料，Kopanidis等人[60]利用噴涂技術(shù)在泡沫金屬表面沉積合金或熱障涂層，提高了傳熱效率，并增強其在高溫環(huán)境中的應(yīng)用性能。Alberto等人[11]通過實驗證明泡沫金屬芯具有尺寸效應(yīng)，泡沫的厚度對對流傳輸具有顯著影響。泡沫鋁夾心板材對流傳熱在高超音速大氣返回運載工具主動冷卻熱防護系統(tǒng)中極具潛在應(yīng)用

76、。Boomsma等[61] 以水為冷卻介質(zhì)，將泡沫鋁作為換熱實驗材料，在強制對流的情況下，研究了泡沫鋁的換熱效果，考察孔隙率對換熱性能的影響，同傳統(tǒng)的換熱器相比熱阻要低很多，換熱性能有很大的提高。Bhattacharya[62]對不同孔密度（5～40PPI）金屬泡沫鋁的對流換熱進行了研究，表明在一定孔徑下，換熱率隨孔隙率的增大而增大，另一方面，孔隙率一定時，孔密度越大，傳熱率越低。Zhao[63]在真空和常壓環(huán)境下，對FeCrAlY金屬

77、泡沫的自然對流進行了實驗和數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明自然對流下，各因素對Keff的影響達到50%以上，而這歸結(jié)于高的孔隙率和內(nèi)部貫通的三維結(jié)構(gòu)。流體在多孔介質(zhì)中流動的一個特點就是彌散效</p><p>　　滲流特性與換熱性能既相互獨立，又彼此聯(lián)系。如何在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，建立滲流—換熱耦合關(guān)系模型，是研究泡沫金屬對高溫、高速流體影響的理論基礎(chǔ)。</p><p>　　1.3.2 泡沫金屬性能的數(shù)

78、值模擬研究</p><p>　　通過實驗測試對泡沫金屬的性能進行研究，是比較直接的研究方法。但是，實驗測試要考慮很多外界因素的影響，因此，通過數(shù)值模擬的方法對泡沫金屬的各種性能進行研究成為了研究人員關(guān)注的熱點。在進行數(shù)值模擬之前，要建立與泡沫金屬結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的有限元模型。因此，如何建立一種與泡沫金屬真實結(jié)構(gòu)相一致的模型成為了數(shù)值模擬的重點。</p><p>　　圍繞多孔材料結(jié)構(gòu)模型進行基本性

79、能理論計算，國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量的研究工作。經(jīng)過多年的發(fā)展，已取得了一定的進展。多孔材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當復(fù)雜，孔尺寸和孔壁長度都比較分散。特別是無序多孔材料，其孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布分散，這種非周期性的結(jié)構(gòu)使得建立準確的有限元模型變得非常困難。如何建立準確的有限元模型成為當前研究的難點和熱點[78]。目前的研究中，已有學(xué)者采用實際微觀結(jié)構(gòu)的簡單圖像網(wǎng)格模型開展多孔材料的性能分析。其基本思路是[28]：在三維有限元網(wǎng)格中，用一個有限元立方體單元表

80、示一個三維像素，將位于孔中的立方體單元從模型中刪除，從而建立與實際結(jié)構(gòu)相接近的有限元模型。但該技術(shù)需要大量的網(wǎng)格參與計算，計算量極大。同時，要求每個單元具有較大的尺寸，影響了計算精度。已有的研究表明，產(chǎn)生0.02%的彈性應(yīng)變所需要的計算時間約為數(shù)百小時，且由于網(wǎng)格過于粗大導(dǎo)致計算結(jié)果與實際情況誤差較大[79]。</p><p>　　Gibson和Ashby[80]早期曾建立了一種較為簡單的棱柱立方體模型[81;

81、82]，如圖1-5所示。該模型雖然與泡沫金屬的真實結(jié)構(gòu)形式有較大差異，但是模型較為簡單、便于用于實驗分析，而且模擬計算結(jié)果能夠與大多數(shù)實驗結(jié)果相吻合。因此，在許多實際工作中經(jīng)常采用該模型進行分析研究。</p><p>　　圖1-5 Gibson-Ashby立方體模型</p><p>　　Mancin等人[83]建立了開孔泡沫金屬模型，使用有限元模擬方法對泡沫孔徑尺度的流體、傳熱和幾何結(jié)構(gòu)進

82、行研究，這項研究極具實踐指導(dǎo)意義。這項研究認為該方法在本質(zhì)上是通用的，有可能在Surface Evolver中通過改變表面張力改變孔隙度值，然后重新創(chuàng)建核心單元和周期單元結(jié)構(gòu)，預(yù)測泡沫金屬的性能。但這將涉及到對幾何體文件處理時增大的結(jié)果進行乏味校正過程，之后還需要進行空間拓撲并生成網(wǎng)格。這將是一個非常耗時的過程，是未來進一步驗證該研究提出的方法的工作主題之一。Lu等[84]將泡沫金屬骨架簡化為細長圓柱形傳熱棒構(gòu)成的簡立方單胞結(jié)構(gòu)，理論分

83、析得到壓差、整體傳熱系數(shù)與單胞結(jié)構(gòu)等參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果很好地吻合。Boomsma等[46]把泡沫金屬的孔結(jié)構(gòu)近似為十四面體模型，模擬結(jié)果很好地估算了泡沫金屬的有效熱導(dǎo)率。P. D. Jaeger等[85]利用泡沫鋁16個典型的單胞，數(shù)值模擬了空氣介質(zhì)下泡沫鋁的滲流和換熱性能，研究表明高孔密度、低孔隙率的泡沫鋁具有較好的綜合性能。</p><p>　　劉培生等人[26; 86][26; 75]

84、針對高孔隙率泡沫金屬材料的結(jié)構(gòu)特點，建立起一個簡化的八面體模型，模型結(jié)構(gòu)如圖1-6所示,以用于分析泡沫金屬材料抗拉強度與孔隙率之間的關(guān)系。由于這些理想化的簡單模型并不能真實地反映泡沫的實際結(jié)構(gòu)，計算結(jié)果與實際結(jié)果之間會存在較大的偏差。 </p><p>　　圖1-6 泡沫金屬八面體結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　除此之外，還有一種規(guī)則十四面體模型（即Kelven結(jié)構(gòu)）[80; 87]，如圖1

85、-7所示。該模型可以用于研究開孔或者閉孔泡沫材料，與泡沫金屬的真實結(jié)構(gòu)有良好的一致性。</p><p>　　圖1-7 泡沫金屬的十四面體模型</p><p>　　以上各種模型，均是通過對泡沫金屬真實結(jié)構(gòu)進行簡化處理近似得到的，雖然與真實結(jié)構(gòu)存在一定的偏差，但是在某些方面確實能用于泡沫金屬性能的模擬相關(guān)研究。</p><p>　　1.3.3 泡沫金屬的應(yīng)用</p

86、><p>　　泡沫金屬是一類相對較新的材料，具有較低的密度以及良好的熱、機械、電氣以及聲學(xué)特性，在一些重要領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)撃堋Ｄ壳?，關(guān)于泡沫金屬的研究越來越深入，其應(yīng)用領(lǐng)域也在進一步拓寬。在泡沫金屬換熱工程應(yīng)用研究方面，Unversity of Florida[88]對使用泡沫金屬作為火箭推進器冷卻保護套進行了較為系統(tǒng)的研究。科氏傳熱和波音研發(fā)中心[89]對泡沫金屬換熱器在汽車廢氣循環(huán)系統(tǒng)(EGR)中的換熱性能進

87、行了深入研究。美國ULTRAMET公司制得了管形泡沫鎢換熱器。</p><p>　　西安交通大學(xué)對高效緊湊換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及性能評價標準進行了研究[90; 91]。南京工業(yè)大學(xué)等對泡沫金屬換熱器順列和錯列傳熱管的換熱性能進行了研究[92; 93]。上海交通大學(xué)對嵌有泡沫金屬的壓縮式制冷換熱管的池沸騰行為進行了深入研究[94; 95]。</p><p>　　1.4 有限元法及相關(guān)軟件&l

88、t;/p><p>　　1.4.1 有限元方法</p><p>　　有限元法是一種在工程技術(shù)領(lǐng)域中廣泛使用的數(shù)值計算方法，它能夠比較方便地解決許多工程上難以解決或者不能解決的問題。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展以及計算機系統(tǒng)的使用，使得利用有限元法來計算工程問題變得更加的有效、準確。因此，有限元法作為一種簡便的數(shù)值方法在工程技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)揮了很大的作用[96]。</p><p>　　

89、有限元法是將連續(xù)介質(zhì)劃分為離散單元，從而把連續(xù)的無限多個自由度的問題轉(zhuǎn)換為有限自由度的問題。目前，國際上的大型通用有限元軟件有很多，有的已經(jīng)成為了工程分析中重要的分析工具。本文中主要使用ANSYS軟件包和FLUENT軟件包進行泡沫金屬性能的相關(guān)模擬計算。</p><p>　　1.4.2 ANSYS軟件包</p><p>　　ANSYS作為有限元分析軟件中的一種，是由John Swanson

90、博士于1970年在美國首創(chuàng)，目前已經(jīng)成為世界上最大的CAE分析軟件[97]。</p><p>　　ANSYS軟件有著非常強大的分析求解能力，不僅能處理簡單的線性靜態(tài)分析，也適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非線性動態(tài)分析，可以解決結(jié)構(gòu)、流體、電磁和熱學(xué)等方面的工程問題。ANSYS軟件主要包括前處理、求解以及后處理等模塊，并且預(yù)置與其他有限元分析軟件、計算機圖形學(xué)軟件進行交互關(guān)聯(lián)的接口，發(fā)展至今ANSYS軟件已經(jīng)成為解決工程問題不可

91、或缺的分析工具。</p><p>　　ANSYS 有限元分析的過程可以大致分為三部分：前處理、求解及后處理。每一部分擁有不同的功能：</p><p><b>　?。?）前處理</b></p><p>　　定義單元類型、材料屬性；建立實體模型；對實體模型進行有限元網(wǎng)格劃分。</p><p><b>　?。?）求解

92、</b></p><p>　　定義載荷、約束以及邊界條件；通過GUI操作或者APDL編程，使用求解器進行求解計算。</p><p><b>　?。?）后處理</b></p><p>　　查看分析結(jié)果；檢驗結(jié)果。</p><p>　　1.4.3 Fluent軟件包</p><p>　　F

93、luent軟件是目前國內(nèi)外使用最多、最流行的通用CFD軟件包之一，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動。Fluent的軟件設(shè)計基于“CFD計算機軟件群的概念”，針對每一種流動的物理問題的特點，采用適合于它的數(shù)值解法，以在計算速度、穩(wěn)定性和精度等各方面達到最佳。FLUENT軟件采用基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法，而且具有基于網(wǎng)格節(jié)點和網(wǎng)格單元的梯度算法；為用戶提供了友好的用戶界面和二次開發(fā)接口（UDF）；采用C/C++語言編寫

94、，從而大大提高了對計算機內(nèi)存的利用率。</p><p>　　Fluent軟件包穩(wěn)定性好，經(jīng)過大量算例考核，同實驗符合較好；適用范圍廣，靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及含有的多種傳熱燃燒模型及多相流模型，可應(yīng)用于從可壓到不可壓、從低速到高超音速、從單相流到多相流、化學(xué)反應(yīng)、燃燒、氣固混合等幾乎所有與流體相關(guān)的領(lǐng)域；精度提高，高效省時，由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，高效率的并行計算功能，提

95、供多種自動/手動分區(qū)算法；內(nèi)置MPI并行機制大幅度提高并行效率，因而FLUENT能達到最佳的收斂速度和二階精度；另外，F(xiàn)LUENT特有動態(tài)負載平衡功能，確保全局高效并行計算。</p><p>　　FLUENT軟件包含三種算法：非耦合隱式算法、耦合顯式算法、耦合隱式算法，是商用軟件中最多的；FLUENT軟件包含豐富而先進的物理模型，使得用戶能夠精確地模擬無粘流、層流、湍流。其中，連續(xù)纖維模塊主要模擬纖維和氣體流動之

96、間的動量、質(zhì)量以及熱的交換問題。此外，fluent軟件包也包含前處理軟件、求解器和后處理器。</p><p>　　1.5 本文研究目的及主要研究內(nèi)容</p><p>　　1.5.1 研究目的</p><p>　　當前關(guān)于泡沫金屬的滲流換熱研究大多集中于對其制備工藝的研究，且對于泡沫金屬結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的研究大多數(shù)情況下還是通過反復(fù)試驗（Trial and Error）

97、的方法來進行，同時也沒有成熟的理論或者數(shù)學(xué)模型來預(yù)測泡沫金屬的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)對性能的影響。上述通過反復(fù)試驗對于泡沫金屬的結(jié)構(gòu)對性能的影響的研究往往耗時耗力，成本巨大，卻效率不高。于是研究人員很自然地想到通過建立泡沫金屬性能預(yù)測模型，以尋求最優(yōu)結(jié)構(gòu)，不僅可以深入地分析泡沫金屬結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，且省時省力，降低成本。</p><p>　　目前對泡沫金屬的性能預(yù)測尚處于初步的探索階段，開展的工作極為有限，且大多仍停留在

98、對泡沫金屬性能測試的簡單試驗?zāi)M或是對試驗結(jié)果定性描述和簡單定量化計算上，缺少成熟的泡沫金屬性能預(yù)測數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　本文旨在研究從泡沫金屬結(jié)構(gòu)特征到綜合性能的多因素耦合預(yù)測方法，為泡沫金屬的性能提高和應(yīng)用開發(fā)提供可靠的理論指導(dǎo)。</p><p>　　（1）綜合數(shù)字圖像處理技術(shù)與有限元模型生成方法，建立與泡沫金屬真實組織結(jié)構(gòu)相一致的三維有限元模型。</p>&l

99、t;p>　?。?）采用有限元方法模擬金屬在流體工質(zhì)的作用下的應(yīng)力場和溫度、壓力耦合場，建立基于泡沫金屬真實結(jié)構(gòu)的綜合性能計算方法。</p><p>　　1.5.2 研究內(nèi)容及技術(shù)路線</p><p>　　本文以超聲波輔助電沉積工藝[98-101]制備得的10PPI規(guī)格泡沫銅樣品為壓縮試驗材料，通過線切割技術(shù)將泡沫金屬加工成規(guī)格為Φ20mm×15mm的圓柱形狀試樣，將基于MI

100、CRO-CT技術(shù)得到的泡沫銅真實結(jié)構(gòu)，研究泡沫銅孔結(jié)構(gòu)對其性能的影響，提煉其機械性能、有效熱導(dǎo)率及滲流和對流換熱性能的計算模型，在此基礎(chǔ)上進行其機械性能、有效熱導(dǎo)率及滲流和對流換熱性能的模擬計算，同時進行機械性能、有效熱導(dǎo)率及滲流和對流換熱性能的試驗測試，通過對模擬計算結(jié)果和試驗結(jié)果進行比對分析，得到泡沫銅孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與其性能的關(guān)系，進而對其結(jié)構(gòu)進行一定程度的優(yōu)化設(shè)計，為泡沫金屬的性能預(yù)測提供理論基礎(chǔ)，并提供新的思路和方法。本文研究路線如

101、圖1-8所示。</p><p>　　圖1-8 技術(shù)路線圖</p><p>　?。?） 泡沫銅三維結(jié)構(gòu)有限元模型構(gòu)建</p><p>　　針對孔隙率10PPI的泡沫銅，基于MICRO-CT掃描的三維圖像數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)，提取圖像的色彩矩陣數(shù)據(jù)，并充分考慮泡沫銅的孔分布特征，采用閾值分割算法[102]，將圖像的色彩信息轉(zhuǎn)換成關(guān)于孔結(jié)構(gòu)特征的材料組元類別信息。在

102、此基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元模型生成方法，通過邊界提取算法，將獲得的材料組元類別信息轉(zhuǎn)換成幾何模型信息，并對幾何模型進行網(wǎng)格優(yōu)化剖分，建立與泡沫銅顯微結(jié)構(gòu)相一致的三維有限元模型，為材料性能的有限元預(yù)測提供準確的模型基礎(chǔ)。</p><p>　?。?）泡沫銅材料性能的試驗驗證</p><p>　　1)泡沫銅壓縮屈服強度試驗測試</p><p>　　對泡沫銅試樣進行單軸壓縮屈服強

103、度測試。實驗設(shè)備為Instron1185型萬能試驗機，實驗過程參考GB/T7314-2005《金屬材料室溫壓縮試驗方法》進行。</p><p>　　2)泡沫金屬有效熱導(dǎo)率試驗測試</p><p>　　對泡沫銅試樣進行有效熱導(dǎo)率測試?；诟盗⑷~導(dǎo)熱定律[103]對泡沫銅進行有效熱導(dǎo)率測試，實驗設(shè)備為DZDR-R導(dǎo)熱儀。</p><p>　　3)泡沫銅滲流和對流換熱性能

104、試驗測試</p><p>　　以水為試驗流體，采用自制的泡沫金屬滲流換熱性能試驗測試平臺，檢測一定流速、一定溫度范圍的流體在流經(jīng)泡沫銅前后泡沫金屬兩側(cè)形成的速度變化和溫度變化，計算泡沫銅的滲流系數(shù)和換熱效率。</p><p>　?。?）泡沫銅材料性能的有限元預(yù)測</p><p>　　1)泡沫銅壓縮屈服強度的有限元預(yù)測</p><p>　　通過

105、對泡沫銅有限元模型進行虛擬壓縮試驗，模擬特定外加載荷條件下的應(yīng)力場，并根據(jù)應(yīng)力—應(yīng)變方程確定泡沫銅的壓縮屈服強度。</p><p>　　2)泡沫銅的有效熱導(dǎo)率的有限元預(yù)測</p><p>　　通過對泡沫銅有限元模型進行虛擬導(dǎo)熱試驗，模擬特定外加載荷條件下的溫度場，并根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律確定泡沫銅的有效熱導(dǎo)率。</p><p>　　3)泡沫銅滲流和對流換熱性能的有限元預(yù)

106、測</p><p>　　通過對泡沫銅有限元模型施加一定的溫度和壓力邊界（一定流速的流體）條件，基于流體動力學(xué)方程和傳熱換熱方程，利用流體動力學(xué)軟件FLUENT進行流體工質(zhì)在泡沫銅中的壓力和溫度變化模擬。并根據(jù)結(jié)構(gòu)對壓降和溫度變化的影響規(guī)律，建立“結(jié)構(gòu)—滲流、換熱”之間的關(guān)系模型。</p><p>　　（4） 泡沫銅材料性能的預(yù)測方法評價</p><p>　　根據(jù)設(shè)計

107、的泡沫銅性能有限元預(yù)測方法，模擬試驗條件下泡沫銅的壓力場和溫度場的分布，對不同孔隙率、孔密度規(guī)格的有限元模型進行性能分析，得到一系列壓縮屈服強度、有效熱導(dǎo)率及滲流和對流換熱性能數(shù)值模擬結(jié)果。統(tǒng)計不同孔隙率、孔密度規(guī)格模型所對應(yīng)的壓縮屈服強度、有效熱導(dǎo)率及滲流和對流換熱性能數(shù)值，得到壓縮屈服強度、有效熱導(dǎo)率及滲流和對流換熱性能隨模型孔隙率、孔密度的變化關(guān)系。通過對泡沫銅壓縮屈服強度、有效熱導(dǎo)率及滲流和對流換熱性能的數(shù)值模擬結(jié)果進行擬合，得