双轴加载条件下梯度泡沫金属的破坏性能研究
发布时间：2021-08-12 01:05
泡沫金属作为一种应用广泛的新型多功能材料,具有质轻、比强度高、比刚度大、吸声、减震吸能等优良性能,在航空航天、建筑、交通运输等方面有着广阔的应用前景。泡沫金属在工程应用时往往承受多轴加载工况,发生破坏断裂行为。然而,多轴条件下泡沫金属的细观结构参数对其破坏面表征和破坏机理研究尚属空白。针对该科学问题,本文开展双轴等比例加载数值模拟仿真实验,研究尺寸不规则度连续梯度分布的各向异性模型的破坏行为,定量研究尺寸不规则度梯度参数对其破坏面的影响。具体包括:（1）建立尺寸不规则度连续梯度变化的泡沫金属有限元模型并验证其合理性。发展尺寸不规则度参数连续梯度变化的3D Voronoi模型建模方法;分析模型不规则度参数概率统计和空间分布特性;基于单轴试验验证模型的合理性。（2）研究不规则度参数对泡沫金属单轴压缩和单轴拉伸力学性能的影响。单轴压缩力学性能受形状不规则度的概率分布和尺寸不规则度的空间分布参数显著影响,不受尺寸不规则度概率分布影响;因细观结构局部变形显著,单轴拉伸力学性能受形状不规则度概率分布、尺寸不规则度空间分布和概率分布参数的影响;单轴压缩峰值应和平台应力、单轴拉伸屈服应力和拉伸强度均与...
【文章来源】：南华大学湖南省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
泡沫金属结构类型[4]
21948年，Soknik[19]首次制备出泡沫铝，为泡沫金属制备工艺的发展做出贡献，之后学者们对泡沫金属的制备工艺、泡沫金属和它的复合结构的力学性能进行了大量的研究[20-24]，但多集中在美国、日本、西欧等国家，我国对于泡沫金属这种材料的研究起步过晚[25]，之后我国一系列的科研机构对这种材料开展了针对性研究，在单轴加载状态下，对泡沫金属的变形破坏模式、应力-应变曲线特征以及能量吸收特征进行研究，取得了大量的研究成果[26-30]。目前泡沫金属的制备工艺日趋成熟，主要有烧结法、沉积法、转造法等制备方法[31-36]。随着3D打印技术和复制工艺的发展[37-39]，已经能够很好的制造出特定的多胞结构材料，如高孔隙率的开孔泡沫铝和高孔隙率的泡沫铝合金(如图1.2所示)。通过技术制备出良好的多胞材料，这对多胞材料的进一步研究有着重要的价值。泡沫金属及其复合结构在航空航天器[40]、回形填充管[41]、夹芯板[42]等实际工程应用中，往往承受多轴复杂外荷载作用，这些结构的设计需要基于多轴静动态加载条件下泡沫金属的力学性能。因此，有必要研究多轴加载条件下泡沫金属的力学行为。多轴条件下泡沫金属的力学行为不能由单轴拉伸/压缩的力学性能表征，单轴加载条件下泡沫金属的力学性能已无法满足工程应用的需要。泡沫金属在实际应用中，往往发生破坏（如图1.3所示），需要研究其破坏力学性能。受实验条件限制，多轴加载条件下的破坏面数据稀少，破坏面表征存在争议，破坏机理尚待明确。因此，有必要开展泡沫金属多轴加载条件下的破坏面表征和破坏机理等力学性能的研究。(a)角盐状泡沫铝(b)球形孔泡沫铝图1.2复制工艺制造的泡沫铝[39]
3对泡沫金属的破坏面表征和破坏机理等力学性能进行研究，将为多胞材料结构的优化设计及其数值仿真计算提供破坏参数。泡沫金属的细观结构显著影响其力学性能，如梯度泡沫金属表现出优越的力学性能[43]，定量研究多轴条件下泡沫金属的细观结构不规则度对其破坏面的影响，并揭示破坏的细观机理，有助于完善多胞材料的本构理论，指导多胞材料的结构优化设计，具有重要的理论价值；同时，该研究结合3D打印技术，将直接创造经济价值。1.2泡沫金属多轴加载试验和数值模拟实验研究一直以来，多轴加载实验研究一直是来研究泡沫金属材料性能的重要研究手段。随着时代的发展和科技的进步，泡沫金属的数值模拟研究开始逐渐发展，对现阶段研究一些特定细观结构的泡沫金属材料有着至关重要的作用，是一种重要的研究手段。1.2.1多轴加载试验研究目前，国内外泡沫金属多轴试验主要为准静态双轴和伪三轴试验，包括双轴压缩/拉伸[44-48]、面内剪切[49-51]、扭转[46,52,53]和轴对称压缩[45,47,54,55]。双轴压缩/拉伸都是通过面内加载的方法来进行，加载时的加载方向必须垂直于加载面，并且两个加载方向必须遵循同时同步加载的原则。Khan等[56,57]通过研究设计了如图1.4所示的装置，解决了双轴加载不能同时同步加载的难题，实图1.3泡沫铝夹芯板冲击破坏图[42]
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于统计孔径的泡沫铝小变形压缩的有限元模拟分析[J]. 苏华冰,黄小清,汤立群,刘泽佳,张红. 科学技术与工程. 2009(23)
[2]球形孔泡沫纯铝准静态压缩性能[J]. 王展光,徐玉红,何德坪. 兵器材料科学与工程. 2008(04)
[3]基于非共轴本构模型的砂土真三轴试验分叉分析[J]. 吕玺琳,黄茂松,钱建固. 岩土工程学报. 2008(05)
[4]泡沫铝材:生产工艺、组织性能及应用市场（2）[J]. 王祝堂. 轻合金加工技术. 1999(11)
[5]泡沫金属的研究及其应用进展[J]. 赵增典,张勇,李杰. 轻合金加工技术. 1998(11)
[6]真三轴仪的研制及其试验方法[J]. 袁聚云,赵锡宏,杨熙章,董建国. 大坝观测与土工测试. 1992(05)
本文编号：3337262
【文章来源】：南华大学湖南省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
泡沫金属结构类型[4]
21948年，Soknik[19]首次制备出泡沫铝，为泡沫金属制备工艺的发展做出贡献，之后学者们对泡沫金属的制备工艺、泡沫金属和它的复合结构的力学性能进行了大量的研究[20-24]，但多集中在美国、日本、西欧等国家，我国对于泡沫金属这种材料的研究起步过晚[25]，之后我国一系列的科研机构对这种材料开展了针对性研究，在单轴加载状态下，对泡沫金属的变形破坏模式、应力-应变曲线特征以及能量吸收特征进行研究，取得了大量的研究成果[26-30]。目前泡沫金属的制备工艺日趋成熟，主要有烧结法、沉积法、转造法等制备方法[31-36]。随着3D打印技术和复制工艺的发展[37-39]，已经能够很好的制造出特定的多胞结构材料，如高孔隙率的开孔泡沫铝和高孔隙率的泡沫铝合金(如图1.2所示)。通过技术制备出良好的多胞材料，这对多胞材料的进一步研究有着重要的价值。泡沫金属及其复合结构在航空航天器[40]、回形填充管[41]、夹芯板[42]等实际工程应用中，往往承受多轴复杂外荷载作用，这些结构的设计需要基于多轴静动态加载条件下泡沫金属的力学性能。因此，有必要研究多轴加载条件下泡沫金属的力学行为。多轴条件下泡沫金属的力学行为不能由单轴拉伸/压缩的力学性能表征，单轴加载条件下泡沫金属的力学性能已无法满足工程应用的需要。泡沫金属在实际应用中，往往发生破坏（如图1.3所示），需要研究其破坏力学性能。受实验条件限制，多轴加载条件下的破坏面数据稀少，破坏面表征存在争议，破坏机理尚待明确。因此，有必要开展泡沫金属多轴加载条件下的破坏面表征和破坏机理等力学性能的研究。(a)角盐状泡沫铝(b)球形孔泡沫铝图1.2复制工艺制造的泡沫铝[39]
3对泡沫金属的破坏面表征和破坏机理等力学性能进行研究，将为多胞材料结构的优化设计及其数值仿真计算提供破坏参数。泡沫金属的细观结构显著影响其力学性能，如梯度泡沫金属表现出优越的力学性能[43]，定量研究多轴条件下泡沫金属的细观结构不规则度对其破坏面的影响，并揭示破坏的细观机理，有助于完善多胞材料的本构理论，指导多胞材料的结构优化设计，具有重要的理论价值；同时，该研究结合3D打印技术，将直接创造经济价值。1.2泡沫金属多轴加载试验和数值模拟实验研究一直以来，多轴加载实验研究一直是来研究泡沫金属材料性能的重要研究手段。随着时代的发展和科技的进步，泡沫金属的数值模拟研究开始逐渐发展，对现阶段研究一些特定细观结构的泡沫金属材料有着至关重要的作用，是一种重要的研究手段。1.2.1多轴加载试验研究目前，国内外泡沫金属多轴试验主要为准静态双轴和伪三轴试验，包括双轴压缩/拉伸[44-48]、面内剪切[49-51]、扭转[46,52,53]和轴对称压缩[45,47,54,55]。双轴压缩/拉伸都是通过面内加载的方法来进行，加载时的加载方向必须垂直于加载面，并且两个加载方向必须遵循同时同步加载的原则。Khan等[56,57]通过研究设计了如图1.4所示的装置，解决了双轴加载不能同时同步加载的难题，实图1.3泡沫铝夹芯板冲击破坏图[42]
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于统计孔径的泡沫铝小变形压缩的有限元模拟分析[J]. 苏华冰,黄小清,汤立群,刘泽佳,张红. 科学技术与工程. 2009(23)
[2]球形孔泡沫纯铝准静态压缩性能[J]. 王展光,徐玉红,何德坪. 兵器材料科学与工程. 2008(04)
[3]基于非共轴本构模型的砂土真三轴试验分叉分析[J]. 吕玺琳,黄茂松,钱建固. 岩土工程学报. 2008(05)
[4]泡沫铝材:生产工艺、组织性能及应用市场（2）[J]. 王祝堂. 轻合金加工技术. 1999(11)
[5]泡沫金属的研究及其应用进展[J]. 赵增典,张勇,李杰. 轻合金加工技术. 1998(11)
[6]真三轴仪的研制及其试验方法[J]. 袁聚云,赵锡宏,杨熙章,董建国. 大坝观测与土工测试. 1992(05)
本文编号：3337262
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