工程材料力学性能课件_多孔泡沫金属力学性能数值模拟研究现状

  本文关键词：多孔材料力学性能数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

多孔泡沫金属力学性能数值仿真研究现状
张伟，梁冰
辽宁工程技术大学力学与工程学院，，辽宁阜新 (123000)
E-mail：kevin_heavens@163.com

摘 要：多孔泡沫金属是一种内部含有许多空隙的新型材料.由于其具有非泡沫金属所没有 的优异特性

,因而多孔泡沫金属在一般工业领域特别是高技术领域受到越来越广泛的重视,也 引起了国内外浓厚的研究兴趣.本文对国内外多孔泡沫金属力学性能数值仿真研究现状予以 综合概述,同时对当前研究的关键问题进行了分析,并且就今后的研究工作发表了一些看法. 以期为泡沫金属的进一步的研究、开发与应用提供理论基础 关键词：泡沫金属，建模，数值仿真，力学性能 中图分类号:TB301

1. 引 言
多孔泡沫金属是一种新型功能材料.它以均匀细小孔径和高孔隙率为特征的,具有减振、 阻尼、吸音、隔音、隔热、散热、电磁屏蔽等物理性能,是一种多功能兼用的功能材料.而从 结构材料角度,它又具有密度小、轻质、高比强度的特点.在一般工业领域特别是高技术领域 越来越受到广泛重视[1]. 力学性能是多孔泡沫金属复合材料研究的主要方面之一.泡沫金属在加工过程中和在作 为功能材料时都经常会受到一定的载荷作用,而上述主要作为结构材料的场合,更会处处受到 各种型式的载荷作用.所以,力学性能的研究对其是非常重要和很有必要的.因此,人们在对泡 沫金属进行广泛的功能性能研究的同时,也逐渐关注并越来越重视起其力学性能来,已投入了 大量的工作.目前,对其力学性能的研究主要有三种方法:实验研究、细观结构力学模型研究、 数值仿真研究.本文从数值仿真研究的角度对多孔泡沫金属力学性能数值仿真研究予以综合 概述,以此反映这方面的研究趋势和新的进展,并提出了一些看法和建议,以利于下一步研究 工作的深入开展.

2. 研究现状
目前对材料力学性能的数值仿真主要是有限元分析法.对于多孔泡沫金属复合材料而言, 由于其内部结构的复杂性以及计算机容量的限制, 通常不可能把整体结构作为对象进行分 析, 而只能取其具有代表性的体积单元(RVE)——体胞为具体对象.国内的研究者为更确切 建立体元所作的大量研究, 为用有限元法对三维编织复合材料力学性能进行数值仿真奠定 了基础.

2.1 国内现状
当今用有限元方法对三维编织复合材料力学性能进行数值仿真的研究不多,我国则是

近几年才有个别学者进行了该方面研究.如中国科学院固体物理研究所的程和法[2] 用有限元模拟方法研究了不同孔径的胞孔混合对泡沫铝材料压缩力学性能的影响,并用
ABAQUS有限元软件建立了二维理想多孔材料结构模型(正六边形蜂窝),并进行了有限元分 析和讨论.认为均匀孔径的开孔泡沫铝材料,相对密度不变时,孔径大小对压缩力学性能几乎 没有影响:而当孔径不均匀时,大小孔的相对体积比对压缩性能的影响则较大.特别是弹性模

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量,控制相对体积比(以大孔中混入少量小孔为宜),可使泡沫铝材料的相对密度降低而弹性模 量上升.李志彬[3]利用ANSYS软件中的LS-DYNA模块建立了如图1所示的泡沫铝的三维单胞 模型, 研究了泡沫铝的相对密度、应变率和缺陷对开孔泡沫铝动态力学性能的影

响,模拟计算结果表明,开孔泡沫铝材料具有明显的应变率效应,说明泡沫铝在高应变率下具
有很好的吸能性能.

图 1 泡沫模型单胞形状

图 2 胞孔的单胞结构(L 为孔径,t 为壁厚)

赵明娟[4]利用现成的商业有限元软件Marc进行了泡沫铝结构性能的计算机仿真模拟,通 过数值模拟反映了泡沫铝的结构性能,评估和预测了一定孔隙率条件下泡沫铝的机械性能和 能量吸收性能.胡孔刚[5]用ABAQUS有限元软件模拟了由大、小孔径混合而成的孔结构对开 孔泡沫铝刚度和强度的影响.数值模拟结果表明,当开孔泡沫铝的孔结构是由大孔和小孔按照 一定的尺寸比和体积比所组成时,不仅可以使该泡沫铝的力学性能得到了提高.而且可以降低 泡沫铝的密度.曹晓卿[6]利用LS-DYNA商业软件建立了如图2所示的几何模型,并对开孔泡沫 铝材料在SHPB装置上的动态压缩行为及胞孔变形进行了数值模拟.讨论分析了胞孔尺寸变 化对开孔泡沫铝合金动力学性能的影响.认为胞孔尺寸对开孔泡沫铝材料的能量吸收效率及 单位体积吸收的能量的影响没有对杨氏模量和压缩强度的影响大.各种胞孔尺寸的开孔泡沫 铝材料的单位体积吸收的能量均比能量吸收效率的最大值对应变率的变化敏感.蒲怀强[7]采 用了ANSYS/LS-DYNA商业软件对泡沫铝结构的整体静、动态响应及泡沫铝结构在准静态、 动态载荷作用下的大变形弹塑性行为做了数值模拟计算.贾学军[8]利用ANSYS平台和二次开 发工具,建立了如图3所示的Kelvin十四面体的开孔泡沫材料的有限元计算模型,预测出不同
H H H H 相对密度下规则多面体结构的等效弹性系数 E1111 , E1122 , E1212 和等效泊松比 ?12 .的出结

论:Kelvin结构的刚度质量比随着相对密度增大而增大,剪切刚度质量比在相对密度3%左右 出现极小值点.在同一相对密度下,闭孔结构的等效模量要大于开孔结构的等效模量;在低密
H 度时开孔结构的泊松比 ?12 变化较大.

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图3 开孔泡沫十四面体模型

图4 泡沫材料的细观力学模型

李战莉[9]利用工程软件MSC.Patran,从细观力学的角度建立了如图4所示的泡沫材料的力 学模型(即代表性体积单元),并通过对细观代表性体积单元的有限元应力分析,得到泡沫材料 的宏观等效弹性模量.有限元计算的结果显示泡沫材料宏观拉压等效弹性模量的比值在2. 0-3.0之间,从而验证了泡沫材料是拉压双模量材料.廖明顺[10]通过MARC数值模拟软件,对真 实多孔材料的有限元模型进行初步的压缩过程模拟,分析研究了相对密度对蜂窝材料压缩变 形机制、屈服强度、平台应变以及能量吸收特性的影响.以及不同缺陷及缺陷数量对蜂窝材 料压缩变形机制、 屈服强度、 平台应变以及能量吸收特性的影响. 石上路[11]和卢子兴[12]利用 十四面体模型描述开孔泡沫材料的胞体结构,并用有限元方法确定了开孔泡沫材料的弹性模 量.张俊彦[13]用ANSYS软件研究了胞壁弯曲和胞壁缺省两种缺陷对多孔材料力学性能的影 响,模拟结果表明胞壁缺陷会极大地降低材料的力学性能;缺陷的存在,将改变其周边胞壁的 受力状态,若缺陷分布不均时,会导致试件变形形式发生改变.

2.2 国外现状
九十年代末期国外有学者开始探讨过多孔金属材料的数值模拟工作[14-23],Shulmeister[24] 对低密度弹性开孔泡沫材料的大变形进行了数值研究;Papka[25]用有限元法研究了蜂窝的冲 击与损伤;Noor[26]对三点弯曲的板和壳的计算模型作了有益的探讨.Jaeung Chung等[27]用有限 元对聚碳酸酯蜂窝材料在面内受单轴压缩的本构关系进行了数值模拟,与实验结果吻合较 好.Chen等人的研究还发现,理想六边形蜂窝面内弹性性能是各向同性的,塑性性能也近似各 向同性[28],他们的研究还发现对于相对密度低于0.3的情况,每个胞壁用一个ABAQUS梁单元 即足可准确地预测金属蜂窝材料的力学响应,并且材料参数选用典型铝合金材料数据,材料属 性采用了理想弹-塑性本构方程刻画.但他们采取了各个胞壁材料均完全相同的假设,没有考 虑微结构造成的性质不均匀性.Kyriakides[29]借助分析与母体结构相似的结构特征单元以研 究在相同载荷下的蜂窝材料变形和失稳力学现象.Chen等[28,30]用有限元方法重点研究了蜂窝 材料在有随机分布微裂纹的情况下,大尺寸刚性夹杂和因胞壁缺失形成的大尺寸孔洞对规则 六边形蜂窝材料的弹性模量和屈服强度的影响.Guo和Gibson[31]用有限元方法分析了胞元缺 失对蜂窝结构的弹性模量、弹性屈曲、塑性屈服等的影响,两个缺失胞壁的分散距离对塑性 屈服强度的影响比较小,当距离大于10倍胞元尺寸时,相互作用几乎消失.Huang和Gibson[32]用 有限元方法分析了中心短裂纹脆性金属蜂窝的断裂韧性,Andrews和Gibson[33]用有限元方法 分析了缺陷尺寸和胞元尺寸对6101-T6铝蜂窝含圆孔、中心裂纹、缺口裂纹试件的影响.在

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Schlangen的工作中[34],选用了链网模型来模拟双切口试样在剪切载荷下脆性材料随机破坏性 能,人为假定认为25%的单元为低强度单元,75%的单元为高强度单元,强度比为1:3,采用了弹 性本构,以梁的节点力除以梁横截面积为判据,发现网格的细分不影响裂纹脆性扩展模式,但 得到的裂纹的载荷-张开位移响应曲线明显不同.可能的原因是由于结构破坏响应对材料细 观参数是敏感的,网格的细分自然会影响非均匀材料的细观参数,结果会有差别.

3．现状分析与展望
泡沫金属材料的优良品质,近年来引起了力学和材料科学研究者的高度重视.由于泡沫金 属材料的工艺和结构非常复杂,现在对其力学性能的研究仍然是以实验为主[35-52].但在实验研 究方面材料品种单一,绝大部分是单纯的泡沫金属材料.新型泡沫金属基复合材料如填充硅橡 胶的泡沫金属复合材料、 填充环氧树脂纳米蒙脱土的泡沫金属复合材料、 泡沫金属基网络交 织复合材料的实验研究很少,数据单一[53-59].事实情况,在相同的应力峰值下,铝/硅橡胶交织复 合材料的压缩吸能性和吸能效率均高于参数相同的泡沫铝,因而可作为性能优异的吸能材料 同时,当今用现有的有限元软件对泡沫金属的力学性能研究只是停留在单纯泡沫金属的 方面,而对于高分子材料(硅橡胶、 环氧树脂等)填充泡沫金属形成的泡沫金属基复合材料的力 学性能的数值仿真研究却很少[60].今后,扩展新型泡沫金属复合材料力学性能数据库,挖掘新 型泡沫金属复合材料特有力学性能,应用现有的有限元软件对填充高分子材料的泡沫金属的 力学性能进行数值仿真、性能预测将是泡沫金属复合材料力学性能研究的主要方向.

参考文献
[1] 于 英 华 , 李 智 超 , 刘 敬 福 ． 多 孔 泡 沫 铝 性 能 研 究 现 状 及 应 用 前 景 展 望 [J]. 辽 宁 工 程 技 术 大 学 学 报,2003.22(2):259-260 [2] 程和法. 泡孔结构对开孔泡沫铝压缩力学性能的影响[J]. 热加工工艺,2003 (5): 1-2. [3] 李志彬. 开孔泡沫铝动态响应特征的数值模拟[D],合肥: 中国科学院固体物理研究所,2003 [4] 赵明娟. 泡沫金属结构性能关系模拟研究[D],昆明: 昆明理工大学,2003 [5] 胡孔刚. 合金化与孔结构及填充物对泡沫铝压缩行为的影响[D],合肥: 合肥工业大学,2005 [6] 曹晓卿. 泡沫铝材料动力学特性的实验研究与理论分析[D],太原: 太原理工大学,2005 [7] 蒲怀强. 泡沫铝材料的工程应用研究[D],重庆: 重庆大学,2005 [8] 贾学军. 基于ANSYS的多孔材料微结构设计与分析[D],大连: 大连理工大学,2005 [9] 李战莉. 泡沫材料双模量弹性性质的细观力学分析及其梁结构的稳定性[D],南京: 南京航空航天大 学,2006 [10] 廖明顺. 多孔材料力学性能数值模拟[D],昆明: 昆明理工大学,2006 [11] 卢子兴,石上路.低密度开孔泡沫材料力学模型的理论研究进展[J].力学与实践.2005, 27(5):13-20 [12] 石 上 路 , 卢 子 兴 . 基 于 十 四 面 体 模 型 的 开 孔 泡 沫 材 料 弹 性 模 量 的 有 限 元 分 析 [J]. 机 械 强 度 .2006, 28(1):108-11 [13] 张俊彦. 多孔材料的力学性能及破坏机理[D],湘潭: 湘潭大学,2003 [14] Warren WE, Kraynik AM. Linear elastic behavior of a low density Kelvin foam with open cells [J].Appl.Mech,1997,64:787-794. [15] LiK, Gao XL, Roy AK. Micromechanics model for three dimensiona Open-cell foams using a tetrakaidecahedral unit cell and Castigliano.s second theorem [J]. Comp. Sci. Technol, 2003, 63: 1796-1781. [16] I.Schmidt.Deformation induced elasto-plastic anisotropy in metal foams-modelling and simulation [J].International Journal of Solids and Structures.2004, 41:6759-6782 [17] Roberts AP,Garboczi EJ. elastic properties of model random three-dimensional open-cell solids[J].Mech Phys Solids,2002,50:35-55

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 [18] A. Reyes, O. S. Hopperstad.Constitutive modeling of aluminum foam including fracture and statistical variation of density[J].European Journal of Mechanics - A/Solids.2003,22(6):815-835 [19] K. M. Ryu, J. Y. An, W. S. Cho et al.Mechanical modeling of Al-Mg alloy open-cell foams[J].Materials Transactions2005,46(3):622-625 [20] AndrewsE, SandersW, .Compressive and tensile behaviour of aluminium foams[J]. MaterSciEng, 1999, A270(2):113-124 [21] M. Wicklein and K. Thoma.Numerical investigations of the elastic and plastic behaviour of an open-cell aluminium foam [J].Materials Science and Engineering A.2005, 397(12): 391-399 [22] MukaiT,KanahashiH,YamadaY,etal.Dynamic compressive behaviour of an ultra light weight magnesium foam[J].Scripta Mater,1999,41(4):365-371 [23] DeshpandeVS, FleckNA.High strain rate compressive behaviour of aluminium alloy foams [J].IntJImpactEng, 2000,24(3):277 [24]. Shulmeister V, Van der Burg M W D, Van der Giessen E, Marissen R. A numerical study of large deformation of low-density elastomeric open-cell foams[J]. Mechanics of Materials, 199$, 30: 125-140 [25]. S.D.Papka and S. Kyriakides, Experiments and full-scale numerical simulations of in-plane crushing of a honeycomb[J]. Acta. Mater., 1998, 46, 2765-2776. [26]. A.K.Noor,W.S.Burton and C.W.Bert, Computational models for sandwich panels and shells[J]. AppLMech.Reviews 1996, 49,155-199. [27] Jaeung Chung and Anthony M. Waas, Compressive Response of Honeycombs Under In-Plane Uniaxial Static and Dynamic Loading[J]. Part 2: Simulations, AIAA J, 2002,40(5): 974-980 [28] Chen C, Lu T J and Fleck N A. Effect of imperfections on the yielding of two dimensional foams[J]. Mech. Phys. Solids, 1999, 47: 2235-2272 [29] Kyriakides, S, Propagating instabilities in structures[J], Advances in AppliedMechanics,Vol. 30, eds. J. W. Hutchinson and T. Y. Wu, Boston, Academic press 1993, 67-189 [30] Chen C, Lu T J, Fleck N A. Effect of inclusions and holes on the stiffness and strength of honeycomb[J].Int.J.Mech.Sci,2001,43: 487-504 [31] Guo,X. E,Gibson L.J., Behavior of intact and damaged honeycombs: a finite element Study[J], Int. J. Mech. Sci., 1999, 41:85-105 [32] Huang J.S,Gibson L.J. Fracture toughness of the Brittle honeycombs[J], ActaMaterialia,1991,39:1617-1626. [33] Andrews E.W. Gibson L.J. The influence of cracks, notches and holes on the tensile strength of cellular solids[J], Acta Materialia,2001,49:2975-2979. [34] Schlangen,E. et al. Fracture simulation of concrete using lattice models: computational aspects[J], Engineering Fracture Mechanics,1997,57:319-322. [35] 左孝青,赵勇,张喜秋等.泡沫铝制备与其压缩性能研究[J]. 粉末冶金技术. 2006, 24(3): 204~208 [36] 田 杰,胡时胜. 基体性能对泡沫铝力学行为的影响[J].工程力学.2006,23(8):168~171 [37] 康颖安,张俊彦.相对密度和应变率对泡沫铝压缩行为的影响. 湘潭大学自然科学学报2006,28(1):54~63 [38] 程和法,黄笑梅,许玲.泡沫铝的压缩与吸能性研究[J].冶金工程.2003,22(1):70～72 [39] 杨东辉,何德平,高比强.多孔铝合金的压缩性能和能量吸收特性[J].中国科协首届博士生学术交流大会 论文集[M].2002,11:490~494. [40] 郑 明 军 , 何 德 坪 , 陈 锋 .多 孔 铝 合 金 的 压 缩 应 力 — 应 变 特 征 及 能 量 吸 收 性 能 [J]. 中国 有 色 金 属 学 报,2001,11(S2):81~85 [41] 王 曦,虞吉林.泡沫铝的单向力学行为[J].实验力学,2001,16(4):438~443 [42] 黄 小 清 , 刘 逸 平 , 汤 立 群 等 . 基 于 相 对 即 时 密 度 的 泡 沫 铝 材 料 力 学 性 能 研 究 [J]. 实 验 力 学.2004,19(2):170~177 [43] 潘 艺,胡时胜,凤 仪等.泡孔尺寸对开孔泡沫铝合金力学性能的影响[J].工程力学. 2003,20(4):171~175 [44] 孙悦.泡沫钼材料的吸能性能研究[J].四川大学学报. 2002, 34(1):124~126 [45] 曾斐,潘艺,胡时胜.泡沫铝缓冲吸能评估及其特性[J].爆炸与冲击. 2002, 22(4):12~16 [46] 余兴泉,何德坪.泡沫金属机械阻尼性能研究[J].机械工程材料.1994, 4:26~32 [47] 何德坪.孔结构对通孔泡沫 AL 非线性阻尼性能的影响[J].材料研究学报.1997, 11(3):101~103 [48] 余兴泉,何德坪.泡沫金属—高分子聚合物的复合体机械阻尼性能研究[J].功能材料.1996, 27(2):171~175 [49] J. Zhou,P. Shrotriya and W. O. Soboyejo.Mechanisms and mechanics of compressive deformation in open-cell Al foams .Mechanics of Materials[J].2004,36(8):781-797 [50] Harte A M,Fleck N A,Ashby M F,Sandwich panel design using aluminum alloy foam[J]. Advanced Engineering Materials, 2000,2(4):219~222 [51] Abramowicz W, Wierzbicki T.Axial crushing of foam filled columns [J].Mesh Sci.1998.30 (34):263~271 [52] Santosa S P, Wierzbicki T.On the modeling of crush behavior of closed—cell aluminum foam structure [J]. Mesh Phys Solids, 1998,46(4):645~669 [53] Y.W. Kwon, R.E. Cooke,C. Park.Representative unit-cell models for open-cell metal foams with or without elastic filler[J]. Materials Science and Engineering, 2003 (A343) :63~70 [54] Santosa, S., Wierzbicki,T.Crash behaviour of box columns filled with aluminium honeycomb or foam[J]. Computers and Structures 1998, 68 (4):2345~2350 [55] Hanssen A G Langseth M, Hopperstad O S. Static and dynamic crushing of circular aluminium extrusions with aluminium foam filler [J]. Impact Engng.2000,24 (5):475～507 [56] 王二恒,李剑荣,虞吉林,程和法. 硅橡胶填充多孔金属材料静态压缩[J].中国科学技术大学学报.2004, 34(5):575~580 -5-

 [57]程和法.含硅橡胶的泡沫铝应变率敏感性研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版).2003,26(6):1157~1160 [58] 程和法.铝/硅橡胶交织复合材料压缩力学行为的研究[J].甘肃工业大学学报.2003,29(4):38~40 [59] 刘建英,徐平,于英华.泡沫铝复合材料的制备及其阻尼性能[J].煤矿机械.2004,5:33~34 [60] 李字燕,黄协清,树学锋.泡沫铝硅材料静动态压缩特性试验研究[J].机械工程材料.2004,10:38~40 [61] 于 英 华 , 梁 冰 , 张 建 华 . 泡 沫 铝 基 高 分 子 复 合 材 料 制 备 及 其 性 能 [J]. 辽 宁 工 程 技 术 大 学 学 报.2005,24(6):903~905 [62] 田杰,胡时胜.填充硅橡胶的泡沫铝复合材料的力学性能[J].爆炸与冲击.2005,25(5):400~404 [63] Gibson L J,Ashby M F．Cellular Solids:Structure and Properties[M]．2nd ed．Cambridge．UK:Cambridge University Press,1997． [64] 泡沫铝/环氧树脂复合材料力学行为及应用研究[D],阜新:辽宁工程技术大学,2007

Porous foam metal Mechanics function numerical value simulates studying current situation
Zhang Wei, Liang Bing
College of mechanics and Engineering,Liaoning Technical University ,Fuxin,China (123000) Abstract
The porous foam metal is one kind of interior includes many interstitial new materials. Because it has non-foam metal no outstanding characteristic, thus is specially the high-tech domain receives the more and more widespread value in the general industry domain, also has aroused the domestic and foreign strong research interest. This article synthesizes the outline to the domestic and foreign porous foam metal mechanics performance value simulation research present situation, simultaneously has carried on the analysis to the current research key question, and has expressed some views on the next research work. Take the time as the foam metal further research, the development and the application provides the rationale Keywords: Foam metal; Build a model; Numerical value simulates; Mechanics function

作者简介：张伟，男，1982 年生，硕士研究生，主要从事多孔泡沫金属的力学性能方面的 研究。

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  本文关键词：多孔材料力学性能数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。