多孔金屬材料率效應的數(shù)值分析與動態(tài)壓縮行為的理論研究.pdf

1、多孔金屬材料由于其微結(jié)構(gòu)的特殊性和多樣性，從而具有相當優(yōu)異的力學特性和能量吸收能力。因此，多孔材料作為功能結(jié)構(gòu)材料已在眾多的工程實踐中得到了廣泛的應用。關(guān)于多孔金屬材料的靜態(tài)及準靜態(tài)力學行為已經(jīng)有了大量的研究和系統(tǒng)的認識，而對其動態(tài)力學行為的研究卻相對較少。目前文獻中對泡沫金屬的動態(tài)行為和率敏感性效應有了較多的實驗研究，但在對泡沫金屬的應變率效應和慣性效應的相關(guān)認識中，尚存在著一些矛盾的結(jié)果。本論文中，為弄清多孔金屬材料的率效應，我們通

2、過數(shù)值模擬的手段，揭示了慣性效應、基體材料的應變強化效應和應變率效應對泡沫金屬動態(tài)力學行為的影響。另外，為進一步理解多孔材料的變形傳播行為，我們還提出了兩種對應于不同變形模式下的理論模型來說明其中出現(xiàn)的沖擊波現(xiàn)象。
　　 利用二維隨機Voronoi技術(shù)，我們建立了不規(guī)則蜂窩的有限元模型。當蜂窩基體材料為彈性理想塑性時，有限元模擬的結(jié)果表明，蜂窩在不同的沖擊速度之下將會發(fā)生三種變形模式。當沖擊速度比較低時，蜂窩剪切變形帶隨機分布，

3、其整體的宏觀變形基本均勻，我們稱之為準靜態(tài)模式。當沖擊速度足夠高時，蜂窩的胞元幾乎是逐層崩塌，在沖擊面一側(cè)形成很窄的剪切帶，我們稱之為動態(tài)模式或沖擊模式。而當沖擊速度介于準靜態(tài)模式和沖擊模式之間時，蜂窩的剪切變形帶相對來說集中于沖擊側(cè)，形成較為局部的變形，并在整體上表現(xiàn)出梯度化，此時我們稱之為過渡模式。經(jīng)研究表明，當改變蜂窩的密度和基體材料的力學屬性時，蜂窩仍然會發(fā)生上述三種變形模式，有所不同的是，對應不同變形模式的臨界沖擊速度將發(fā)生變

4、化。
　　 為了揭示慣性效應對多孔金屬材料力學行為的影響，我們?nèi)藶榈馗淖兞朔涓C試件基體材料的密度。數(shù)值試驗的結(jié)果表明，當蜂窩的變形模式處于準靜態(tài)均勻模式時，對于不同的沖擊速度和基體材料密度，試件的名義應力應變曲線基本上是一致的。因此慣性效應并沒有導致蜂窩應力應變關(guān)系的應變率敏感性。而在過渡模式和沖擊模式之下，蜂窩平臺應力將隨著沖擊速度的增大而顯著增加。當降低蜂窩基體材料的密度時，三種變形模式之間的臨界速度將明顯提高，相對來說均勻

5、的變形容易發(fā)生。此時在過渡模式和沖擊模式下，蜂窩平臺應力強度的增長會明顯減小。由此可知，在中高沖擊速度之下，慣性導致了蜂窩變形出現(xiàn)明顯的局部化，促使平臺應力的提高。因此多孔金屬材料出現(xiàn)的率效應主要是由慣性引起的。與此同時，我們還研究了微慣性的影響，結(jié)果表明蜂窩微慣性的影響相對來說是可以忽略不計的。
　　 為了進一步認清多孔金屬材料的力學行為，我們還考察了基體材料屬性對蜂窩動態(tài)壓縮響應的影響，其中包括基體材料的應變強化效應和兩種強

6、度不同的應變率強化效應?；w材料的應變率效應對變形模式之間的臨界速度影響不大，其引起的增幅大約在10％之內(nèi)，但對蜂窩的平臺應力會有所提高。在相同的應變率之下，蜂窩平臺應力的相對增長要小于蜂窩基體材料屈服應力的相對增長。不同沖擊速度下的平臺應力的相對增長變化基本不大，且隨著沖擊速度的提高有減小的趨勢。因此相對于慣性效應來說，應變率效應是可以忽略不計的。同時我們也考慮了基體材料應變強化效應對壓縮行為的影響，相對于基體材料為彈性理想塑性的蜂窩

7、來說，在不同沖擊速度之下，由應變強化效應引起的平臺應力的相對增長大約在5％左右，可見應變強化對蜂窩動態(tài)力學行為的影響是很微弱的。最后關(guān)于不同變形模式之間的臨界速度也做了討論，并且我們也估算了蜂窩在壓縮時變形傳播的沖擊波波速。
　　 本文還探討了多孔材料在沖擊壓縮時變形會出現(xiàn)類似沖擊波傳播的現(xiàn)象。一方面，在眾多的有關(guān)多孔金屬材料高速沖擊下的動態(tài)力學響應的研究中，都存在著一個共同的現(xiàn)象，即在試件的壓縮波前處會出現(xiàn)大約只有一個胞元寬度

8、大小的不連續(xù)區(qū)域，在此區(qū)域的兩側(cè)，應力、應變和質(zhì)點速度都有明顯地跳躍。此時多孔材料試件的沖擊部分逐漸地被壓垮幾乎達到密實狀態(tài)。另一方面，當多孔材料在中等速度沖擊下，同樣也在試件中壓縮波前處存在一不連續(xù)區(qū)域，此刻多孔材料試件被壓縮部分的名義應變會逐漸變小。為了能更好的解釋這種現(xiàn)象存在的內(nèi)在機理，基于應力波理論中的剛性卸載假設(shè)，對應于上述兩種情況，我們建立了兩個理論模型，分別為沖擊模式模型和過渡模式模型。利用模型中沖擊面處的位移連續(xù)條件，我