泡沫鋁合金動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及其吸能機(jī)理的研究.pdf

1、泡沫金屬材料以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征、優(yōu)異的力學(xué)性能、理化性能及吸能特性在汽車(chē)、航空航天和鐵路等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其性能主要取決于基體材料的性能、相對(duì)密度和多孔結(jié)構(gòu)的類(lèi)型(開(kāi)孔或閉孔)，此外，其性能還受到孔結(jié)構(gòu)的各向異性和缺陷的影響。泡沫金屬材料最主要的用途之一是作為吸能緩沖防護(hù)材料，因此其動(dòng)態(tài)力學(xué)特性、能量吸收機(jī)理以及其應(yīng)變率效應(yīng)成為近年來(lái)備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一。本文以實(shí)驗(yàn)為主，結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究了兩種不同基體材料組成的

2、泡沫鋁合金動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)行為、變形失效機(jī)制、吸能特性及其應(yīng)變率效應(yīng)，取得了以下成果： 1、首次利用均勻化理論計(jì)算了不同相對(duì)密度下含正方形孔洞蜂窩材料的等效彈性參數(shù)，建立了等效彈性參數(shù)與胞元繞坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)一角度的函數(shù)關(guān)系，考察了胞壁固體相的力學(xué)性能參數(shù)對(duì)宏觀力學(xué)性能的影響，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與已有的理論公式進(jìn)行了比較和分析。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：正方形孔洞蜂窩材料是正交各向異性的，蜂窩結(jié)構(gòu)的等效彈性參數(shù)主要由結(jié)構(gòu)的相對(duì)密度來(lái)確定，對(duì)基體材料

3、的泊松比變化并不敏感。在相對(duì)密度較小(＜0.2)的情況下，Gibson公式和Kim公式與均勻化有限元結(jié)果吻合較好，當(dāng)結(jié)構(gòu)相對(duì)密度較大(＞0.25)時(shí)，須考慮胞棱附近區(qū)域由應(yīng)力集中引起的應(yīng)力和應(yīng)變分布的影響。 2、通過(guò)對(duì)不同特征參數(shù)及不同基體材料的泡沫鋁合金的動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了孔徑、相對(duì)密度和不同基體材料對(duì)其壓縮力學(xué)性能的影響，并借助相關(guān)的力學(xué)模型對(duì)這種影響進(jìn)行了分析；通過(guò)對(duì)其微觀變形機(jī)制的分析，探討了這種具有不規(guī)則孔形狀、相對(duì)

4、密度較高的開(kāi)孔泡沫鋁合金在靜動(dòng)態(tài)下的不同壓縮變形機(jī)制，結(jié)合對(duì)微觀變形機(jī)制的分析結(jié)果，借助相關(guān)的分析模型，分析了該種泡沫鋁應(yīng)變率效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制，得出泡沫鋁合金的應(yīng)變率效應(yīng)是由動(dòng)態(tài)條件下微結(jié)構(gòu)變形的慣性效應(yīng)、微觀變形不均勻和變形局部化導(dǎo)致的局部應(yīng)變率升高、基體材料的應(yīng)變率效應(yīng)、泡孔內(nèi)氣體粘性流動(dòng)、致密化過(guò)程中孔邊坍塌而相互碰撞以及不同的制備工藝等因素的綜合作用結(jié)果。 3、系統(tǒng)分析泡沫材料緩沖吸能特性評(píng)估的常用方法后，對(duì)不同應(yīng)變率、不

5、同相對(duì)密度、不同基體材料以及不同孔徑的泡沫鋁合金的能量吸收能力，吸能效率、理想吸能效率和能量吸收?qǐng)D進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：泡沫鋁合金材料的能量吸收能力主要取決于平臺(tái)區(qū)的高度和長(zhǎng)度。 4、首次應(yīng)用反分析法中的反卷積技術(shù)給出了SHPB實(shí)驗(yàn)裝置中波導(dǎo)桿的傳遞函數(shù)h(t)，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了動(dòng)態(tài)標(biāo)定，完善了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，并利用傳遞函數(shù)h(t)，對(duì)泡沫鋁材料動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的波形進(jìn)行了校正。校正后的應(yīng)力一應(yīng)變曲線其“平臺(tái)應(yīng)力”與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的基