球形孔泡沫铝—聚氨酯准静态压缩力学实验及仿真

发布时间：2020-11-11 00:37

　　 泡沫铝是一种具有特殊胞孔结构、屈服强度低、压缩应变大的新型泡沫金属材料,其具有良好的力学性能及能量吸收性能,广泛应用于机械、交通运输和航空航天等领域。球体开孔型泡沫铝兼具了开孔泡沫铝和闭孔泡沫铝的特性,集二者优点于一身,却又克服了开孔与闭孔型材料自身存在的缺点,是一种性能更优良的泡沫铝材料。向三维通孔的球体开孔型泡沫铝中填充聚氨酯弹性体,得到一种纯铝与粘弹性高分子材料交织复合的新型材料,这将很大程度上改善泡沫铝的力学性能,达到材料的结构及功能一体化需求,使其可以应用于更多的领域。为探究上述球体开孔泡沫铝及球体开孔泡沫铝/聚氨酯(以下简称SPAF/PU)复合材料的力学性能,本文作了如下研究:(1)通过将熔融聚氨酯加压填充到球体开孔泡沫铝中制备了 SPAF/PU复合材料,填充率达到95%以上。对不同孔径、不同相对密度的泡沫铝及SPAF/PU复合材料进行了准静态单轴压缩实验,得到了两种材料的应力应变曲线,并研究了其变形机理。结果表明,孔径越大、相对密度越高,材料的抗压强度越高、塑性平台应力越大,且相同应变范围内的吸能量越大。此外,聚氨酯的填充量也对材料的力学性能有影响。(2)通过改进Sherwood-Frost本构模型,建立了考虑相对密度和形状函数对复合材料影响的准静态本构方程。通过MATLAB对准静态压缩实验数据进行了拟合,得到了本构模型的所有参数。拟合结果表明,所建立的本构方程拟合效果良好,为数值模拟泡沫铝及SPAF/PU复合材料的准静态压缩力学性能做了铺垫。(3)建立了球体开孔泡沫铝、球体闭孔泡沫铝的三维模型。通过编写算法,生成了孔径、层数可调节的随机孔球体泡沫铝模型。与常用的简化泡沫铝模型相比,所建立的泡沫铝模型更加准确地还原了实验所用球体孔泡沫铝的结构;与CT扫描建模相比,建模过程简单,成本较低。(4)通过ABAQUS有限元分析软件,采用建立的材料准静态压缩本构方程,进行了球体开孔泡沫铝、SPAF/PU复合材料的准静态压缩数值模拟,对比实验和仿真结果,验证了所建立的球体开孔泡沫铝三维模型的正确性和有效性,同时,验证了所采用的本构模型的正确性,为球体开孔泡沫铝及SPAF/PU复合材料的数值模拟提供方法和依据。
【学位单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB333
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 课题来源和选题意义
    1.3 国内外研究现状
        1.3.1 球体开孔泡沫金属及其压缩力学性能研究现状
        1.3.2 泡沫金属复合材料研究现状
        1.3.3 泡沫金属静态本构方程研究现状
        1.3.4 泡沫金属建模及数值模拟研究现状
        1.3.5 目前研究中存在的问题
    1.4 主要研究内容和创新点
        1.4.1 主要研究内容
        1.4.2 创新点总结
    1.5 技术路线
    1.6 本章小结
2 SPAF/PU准静态压缩力学实验
    2.1 SPAF/PU压缩实验方法
    2.2 试样制备及选取
        2.2.1 试样制备
        2.2.2 试样选取
    2.3 准静态压缩力学性能实验
    2.4 准静态压缩实验结果分析
        2.4.1 相对密度对SPAF/PU准静态压缩力学性能的影响
        2.4.2 孔径对SPAF/PU准静态压缩力学性能的影响
    2.5 压缩变形过程与机理分析
    2.6 本章小结
3 SPAF/PU本构模型建立及参数拟合
    3.1 泡沫金属准静态经典本构模型简介
    3.2 SPAF/PU复合材料准静态本构模型的建立
        3.2.1 相对密度影响方式的确定
        3.2.2 形状函数的确定
        3.2.3 SPAF/PU复合材料准静态压缩本构模型的确定
    3.3 基于MATLAB的SPAF/PU本构方程参数拟合
        3.3.1 MATLAB参数拟合方法介绍
        3.3.2 SPAF/PU本构方程参数拟合
    3.4 本章小结
4 基于MATLAB和SolidWorks的球体孔泡沫铝模型建立
    4.1 泡沫铝建模方法介绍
    4.2 球体孔泡沫铝建模算法
        4.2.1 闭孔泡沫铝建模算法
        4.2.2 开孔泡沫铝建模算法
    4.3 本章小结
5 基于ABAQUS的泡沫铝及SPAF/PU准静态压缩数值模拟
    5.1 ABAQUS软件介绍
    5.2 准静态压缩有限元模型建立
    5.3 准静态压缩数值模拟
        5.3.1 材料属性设置
        5.3.2 有限元分析条件设置
    5.4 有限元模拟结果与实验结果对比分析
    5.5 本章小结
6 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
附录
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果
致谢

【参考文献】

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本文编号：2878516