泡沫铝夹层板导热及温度场中局部压缩性能研究

发布时间：2020-07-04 15:31

【摘要】：泡沫铝夹层板具有轻质、高比刚度、高阻尼减振性能和冲击能量吸收率、低热导率、良好的吸收和反射电磁波能力,这些优异的性能令其在航空航天、火车和汽车结构、家用电器、土木结构中被广泛的使用。由于泡沫铝夹层板在实际应用时会受到各种外力的作用,因此其机械性越来越受到重视。此外,泡沫铝夹层板在极端环境条件中也有着巨大的应用前景,如:燃气轮机和蒸汽轮机中的燃烧室结构、火箭的喷嘴结构以及飞机排气隔热装置。因此,在研究泡沫铝夹层板的性能和开拓其应用范围等方面,探索其传热属性及在不同温度下的压缩响应就显得非常有意义。鉴于上述原因,本文对泡沫铝夹层板的特性进行了探索,主要工作内容如下:首先,本文采用C++和ANSYS软件建立了泡沫铝夹层板的二维随机圆模型,并对泡沫铝夹层板的导热性能进行了仿真研究,探讨了相对密度与孔径大小对泡沫铝夹层板有效导热系数的影响。结果表明:泡沫铝夹层板内部的温度分布具有不均匀性,并且其有效热导系数随着泡沫铝芯孔隙度的增加而下降;同时发现,当孔隙度相同时,其有效热导系数随孔径增大而减小。在此基础上,通过泡沫铝夹层板有效导热系数的经验公式对仿真结果进行了验证。然后,通过泡沫铝夹层板在不同温度下的准静态局部压缩实验,研究了实验温度、泡沫铝芯孔隙度和面板厚度对泡沫铝夹层板的压缩性能和能量吸收特性的影响。结果表明,泡沫铝夹层板在不同温度下的变形过程大致上可以分成3个阶段:线弹性阶段、塑性平台阶段和致密化阶段。另外,由于高温软化效应,试件的屈服极限和能量吸收能力随温度的升高而降低,而相同孔隙度的试件在不同温度下的致密化应变基本保持不变;在相同温度下,随着孔隙度的减小或面板厚度的增加,泡沫铝夹层板的屈服强度、平台应力和能量吸收能力也会相应增强。最后,采用仿真手段模拟了泡沫铝夹层板在300°C下的局部压缩过程,并通过对比实际测试的结果验证了仿真结果的正确性及仿真方式的可行性。另外,仿真研究了实验温度、孔隙度及孔径尺寸对泡沫铝夹层板的局部力学性能与能量吸收能力的综合影响。研究结果表明对泡沫铝夹层板的力学性能与能量吸收能力影响程度最大的是实验温度,孔径对其影响程度最弱。研究结果也证实了随着温度、孔隙度和孔径的增加泡沫铝夹层板的平台应力和能量吸收性能逐渐减小。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.21;TB33
【图文】：

泡沫金属,应力-应变曲线

士学位论文特性与其在被压缩时的应力-应变响应的独特的形图 1.1 所示，它大致上是由三个不同的区域组成应力恒定或稍微增加的平台扩展区域，最后是在区。在弹性区域和平台区域之间的过渡区间内，会发生集体塌陷现象。这种现象会引起整体结构碎的胞孔邻近的孔在几乎相同的应力下整体崩溃象在应力-应变曲线的平台区域内扩展，直到在加此时，材料内部的绝大部分气体被挤出，因此已触导致压缩应力的急剧上升并逐渐过渡到致密化

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但是实验周期长、成本高、实验条件要求也比较高使微观结构模型来模拟泡沫铝时，需要其本构关系或者其微为基础。一般情况下，在模拟泡沫铝的力学性能时，微观拟这两种方法通常结合使用，例如 Gibson-Ashby 模型[26]、体模型[27]和 Voronoi 模型[28]，如图 1.2 所示。其中，Gib体抽象地表征为具有立方结构的孔隙单元集合体，其能较时的线弹性性能；八面体模型在表征多孔泡沫材料的电阻效果明显高于 Gibson-Ashby 模型；此外，为了更有效地模和性能，十四面体模型被用来替代上述的八面体模型；Vo真实泡沫金属材料通常包含的不规则的胞孔结构。这些微泡沫铝内部的孔结构为前提，认为其单个孔结构为理想基上再对泡沫铝的压缩应力-应变响应、杨氏模量、压缩极限征进行仿真求解。

【参考文献】