泡沫金屬材料在沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)特性及變形機(jī)理研究.pdf

1、與固體金屬及其合金材料相比，泡沫金屬材料展示了低密度、高比剛度和比強(qiáng)度、良好的機(jī)械性能等特點(diǎn)。特別是壓縮時(shí)，泡沫金屬材料可在較低常應(yīng)力水平下通過(guò)塑性變形或結(jié)構(gòu)潰塌耗散較高的沖擊能量，這種性能使人們對(duì)泡沫金屬材料在航空航天飛行器、高速列車(chē)、汽車(chē)、艦船以及人體防護(hù)和軍事防護(hù)工程中的緩沖裝置、減震設(shè)施以及保險(xiǎn)杠等安全裝置中的應(yīng)用產(chǎn)生了濃厚的興趣，有關(guān)泡沫金屬材料動(dòng)態(tài)壓縮行為及變形機(jī)理的研究也因此受到十分的關(guān)注，并成為該研究領(lǐng)域的一個(gè)前沿性熱點(diǎn)

2、課題。泡沫金屬材料質(zhì)量分布的非均勻性導(dǎo)致了其性能的不連續(xù)性，這種結(jié)構(gòu)和性能的交互作用又使研究泡沫金屬材料的動(dòng)態(tài)壓縮特性和變形機(jī)理變得十分復(fù)雜。泡沫金屬材料質(zhì)量分布的非均勻性還體現(xiàn)在表觀密度及其它幾何參數(shù)的非均勻上，它們的變化介于孔徑(微觀尺度)與構(gòu)件的宏觀尺寸之間，因此，可用介觀非均勻分布進(jìn)行描述。目前，對(duì)介觀質(zhì)量非均勻或梯度分布的泡沫金屬材料動(dòng)態(tài)特性及變形機(jī)理的研究并不多，模型也較簡(jiǎn)單，不能很好的表述材料的結(jié)構(gòu)和性能特性，介觀分析模型

3、還需要進(jìn)一步構(gòu)建并不斷完善。
　　 本文提出一個(gè)二維介觀泡沫金屬材料動(dòng)態(tài)分析模型。模型描述了泡沫金屬材料密度分布的非均勻性、材料的彈塑性變形特性及孔流體對(duì)材料性能的影響。泡沫金屬材料的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系定義為相對(duì)密度的函數(shù)，包括三個(gè)階段：由孔棱彎曲或孔壁延伸引起材料的線彈性變形階段；孔壁塑性屈曲或孔塑性坍塌表現(xiàn)出的平臺(tái)應(yīng)力階段；材料被壓實(shí)應(yīng)力陡升的密實(shí)化階段。同時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系服從相應(yīng)的加、卸載規(guī)律。非線性動(dòng)力平衡方程在合適

4、的時(shí)間步長(zhǎng)下通過(guò)顯式積分格式求解。對(duì)沖擊載荷作用下鋁泡沫材料的變形和能量吸收，以及沖擊波在材料中的傳播和增強(qiáng)特征的模擬結(jié)果顯示：⑴高應(yīng)變率(13400s-1)下對(duì)Alulight 鋁泡沫材料壓縮變形模式的模擬與試驗(yàn)研究結(jié)果吻合，證實(shí)了模型的合理性。⑵泡沫金屬材料在動(dòng)態(tài)壓縮下的變形模式不同于準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下材料的變形模式；動(dòng)態(tài)壓縮下的變形模式、能量吸收能力及沖擊波在材料中的傳播特征與沖擊載荷速率、沖擊載荷強(qiáng)度及載荷作用時(shí)間有關(guān)，同時(shí)還與泡沫金

5、屬材料的密度、密度分布的非均勻性及非均勻程度有關(guān)。⑶沖擊波在泡沫金屬材料中傳播有可能會(huì)引起應(yīng)力增強(qiáng)現(xiàn)象。當(dāng)泡沫金屬材料用作防護(hù)層試圖減少?zèng)_擊或爆炸對(duì)人體或結(jié)構(gòu)的作用時(shí)，材料中一旦出現(xiàn)應(yīng)力增強(qiáng)現(xiàn)象，有可能會(huì)對(duì)被保護(hù)人或物造成十分嚴(yán)重的損傷。模擬結(jié)果給出了不同密度泡沫金屬材料固定邊界出現(xiàn)應(yīng)力增強(qiáng)的臨界載荷強(qiáng)度，并分析了載荷作用周期對(duì)臨界載荷強(qiáng)度的影響。⑷在動(dòng)力壓縮中，泡沫金屬材料中的孔流體會(huì)對(duì)其壓縮變形及能量吸收產(chǎn)生一定的影響。模擬結(jié)果可為