梯度泡沫金属的冲击吸能特性

基于闭孔泡沫铝的显微CT扫描信息,考虑胞孔的不规则形貌及胞孔分布的不均匀性,以及胞孔尺寸和壁厚沿泡沫高度的梯度分布,建立了梯度泡沫金属材料的二维细观有限元模型,分析了梯度泡沫金属材料在动态压缩过程中的变形、塑性波的传播和能量变化特征。对于平均相对密度0.3、平均梯度系数0.4的梯度泡沫铝,低速（10 m/s）加载时,梯度泡沫金属在变形的整个过程中吸收的总能量均低于均匀泡沫金属;高速加载时,梯度泡沫金属沿负梯度方向压缩的早期吸能比均匀泡沫金属有优势,而且速度越高,优势越明显。     

全级配混凝土三维细观模型的建模方法研究

根据混凝土材料细观结构特点,采用混合同余算法生成随机数,模拟混凝土骨料在形状和空间分布方面具有的随机性特点。按照混凝土级配理论,分析了不同级配混凝土细观组成特点,研究了不同粒径骨料的含量和分布规律,提出了一种高效的三维骨料生长和凸性判定算法,研究了骨料生长过程中的形状控制技术,避免了尖角、薄片状骨料的出现;在骨料投放过程中采用综合投放算法,大幅度提高了骨料一次性投放成功率和骨料体积含量,缩短了计算时间。在三维细观有限元网格剖分方面,采用向量判别法,优化了材料属性判定,提高了计算效率。算例表明,该文提出的细观模型,在模拟混凝土静力特性和冲击破坏特性方面具有较高的可靠性。     

三维多向编织复合材料非线性本构行为的细观数值模拟

针对三维多向编织复合材料, 在已建立的单胞几何模型及材料力学性能细观计算力学分析方法的基础上,引入M urakam i 的几何损伤理论模拟纤维束的细观损伤行为, 建立了预报该类材料非线性本构行为数值模拟及细观损伤机理的有限元分析方法。结合实例预报了碳/环氧四向编织复合材料本构的非线性行为, 并与实验结果进行了对比。      

三维四向编织复合材料界面损伤机理数值分析

考虑界面脱粘表面压应力下摩擦力对材料界面力学性能的影响,建立损伤-摩擦相结合的界面本构模型,编写用户材料子程序VUMAT,实现其在有限元软件ABAQUS中的嵌入。基于周期性胞元分析思想,在单胞模型中纤维束/基体、纤维束/纤维束分界面引入界面单元,结合损伤-摩擦相结合的界面本构模型,建立含界面相三维四向编织复合材料的细观有限元模型。模拟典型载荷下界面损伤的起始和扩展过程,分析界面应力传递和界面破坏机理,研究界面性能对复合材料宏细观力学性能的影响规律,为实现三维四向编织复合材料界面性能优化设计和控制提供参考。      

大坝混凝土试件三维细观力学并行计算研究

基于混凝土材料基本特性及其有关试验研究结果,给出了混凝土材料的损伤演化关系、及其抗拉强度和弹性模量的应变率强化定律,建立了既考虑细观损伤弱化又计及应变率强化效应的混凝土非线性有限元静动力学虚功方程。根据FEPG有限元语言的规则,编写了混凝土试件细观静、动力学方程的描述文件及位移、应力场的算法文件,并基于PFEPG软件平台开发了混凝土试件的三维细观数值并行计算程序。利用三维随机骨料随机参数模型对混凝土试件弯折损伤破坏过程进行了细观数值模拟。其计算结果与试验结果相吻合,显示了该算法及所编并行程序的有效性。     

基于孔隙率累积增长的闭孔泡沫材料三维随机建模

提出了1种基于随机造型的椭球空腔闭孔泡沫材料三维几何建模方法。基于几何空间均匀分割得到层叠胞元空间,每个胞元空间内随机生成一个球体以形成基础孔隙造型,球体空腔均匀度因子控制基础造型随机性;胞元空间逐次随机生成若干球体空腔并通过相交特性判定,累积得到有效空腔造型,结合基于优化搜索的孔隙率自适应增长算法,提高空腔造型效率,实现目标孔隙率控制建模;考虑泡沫材料工艺及其真实几何特性,实现泡沫材料大空腔和连通缺陷建模。     

纳米纤维增强闭孔泡沫材料的力学性能

为研究纳米纤维增强闭孔泡沫材料的力学性能,采用Voronoi随机泡沫模型对闭孔泡沫材料的细观几何结构进行模拟,并将纳米纤维随机分布在泡沫材料的胞壁中,利用改进的自动搜索耦合（ASC）技术将纤维单元与基体单元进行耦合,建立了能够反映纳米纤维增强闭孔泡沫材料细观结构的数值模型。在此基础上,进一步研究了泡沫模型随机度、相对密度以及纳米纤维长径比和质量分数对纳米纤维增强闭孔泡沫材料弹性模量与屈服强度的影响规律。结果表明:由所建立的数值模型得到的纳米纤维增强闭孔泡沫材料的弹性模量和屈服强度与实验值吻合较好;提高泡沫模型的随机度会使复合泡沫材料的弹性模量和屈服强度增加,而当随机度达到0.450以后,材料的弹性模量和屈服强度几乎不再发生变化;当相对密度在0.05~0.30范围内变化时,复合泡沫材料的弹性模量与屈服强度几乎随相对密度的增加呈线性增长;提高纳米纤维长径比和质量分数也会使材料的弹性模量和屈服强度得到提高,但当纤维长径比达到500以后,纤维长径比的增强作用逐渐减弱。所得结论对纳米纤维增强闭孔泡沫材料的制备具有重要意义。      

数值模拟中细观泡孔构型对硅橡胶泡沫材料力学性能的影响

基于有限元方法模拟准静态单轴压缩过程中硅橡胶泡沫材料的力学响应,并基于硅橡胶泡沫材料的泡孔特征,建立具有均匀分布且球孔尺寸一致的周期性物理模型,采用多尺度结合有限元数值方法进行模拟。根据已有的实验数据,拟合了实体硅橡胶材料的唯像本构方程。多尺度模拟研究中,建立了四种不同的细观泡孔单元,模拟了四种细观泡孔单元在准静态单轴压缩条件下的力学响应。模拟结果表明,四种细观泡孔单元均具有典型的超弹性力学特性,不同泡孔构型能造成细观模型力学响应的显著差异,四种细观泡孔单元中应力最大差值超过300%。细观模型的力学性能通过数据传递机制传输到均匀化的宏观模型后,采用有限元方法对宏观模型进行数值模拟。结果表明:宏观模型具有典型的超弹性力学特性,不同的细观泡孔构型能导致宏观模型力学响应的显著差异,其中应力最大差值超过300%。     

复合材料细观结构三维有限元网格模型的建立

提出了针对颗粒夹杂为椭球形状并呈随机分布的多相复合材料的三维有限元网格的建立方法,为复合材料细观结构研究提供了一种全自动的建模工具。引入了以体积为标度的任意两椭球骨料侵入的判别准则,实现了一种三维随机骨料的投放算法;在基于映射法的颗粒表面有限元网格生成算法中通过扫描线布点和局部连接技术较好地解决了网格极化现象;采用改进的三维AFT方法生成基体的四面体网格,并利用AFT特性一次生成所有颗粒夹杂的四面体网格;为进一步的复合材料细观结构与宏观力学性能的多尺度计算打下了基础。最后用几个算例验证了算法的有效性。     

基于面-内胞模型的三维四向编织复合材料渐进损伤数值模拟

为了准确预测三维四向编织复合材料的纵向拉伸力学性能,对编织复合材料的面胞和内胞细观实体模型进行参数化建模,面胞模型考虑了纱线空间轨迹的偏移和横截面的挤压变形。用体素网格离散模型并施加合适的边界条件,将各组分材料的损伤模型编入到有限元分析软件ABAQUS用户定义材料子程序UMAT中。分别对内编织角为30°和45°的三维四向碳纤维/环氧树脂编织复合材料的面-内胞模型进行数值分析,经体积加权平均获得不同厚度编织复合材料试件的纵向拉伸模量和强度,通过统计具有相同破坏模式的积分点数量研究复合材料的渐进损伤过程。结果表明:基于面-内胞模型预测三维四向编织复合材料的纵向拉伸力学性能与试验值吻合良好,损伤分析结果合理地反映了面胞和内胞的渐进损伤过程。      

Mesoscopic particulate system assembled from three-dimensional irregular particles

Particles around us are generally in the form of irregular characteristics in shape and size. Establishing rational mesoscale models that are suitable for different types of particles is of great significance to comprehensively evaluate the mechanical properties of particulate systems assembled from irregular particles. The preponderances of previous works are mainly focused on particle simulations using regular-shaped geometries or simple polyhedrons, and little is known about quantitative characterization for the particles with complex shape characteristics. In this paper, a series of novel and efficient algorithms are presented to generate three-dimensional particulate systems assembled from particles with irregular characteristics in shape and size. According to the developed particle generation algorithm and vector-growth algorithm, the convex- and concave particles with different shape- and size configurations are obtained. Parametric analysis of corresponding algorithm parameters on the shape- and size configurations of particles are quantitatively investigated in terms of different indexes, such as sphericity, angularity and size, which provides an important guidance for the shape- and size control of irregular particles. Based on the generated irregular particles, a series of algorithms are proposed to generate the particulate systems with random spatial characteristics as well. Employing the developed compaction algorithm, mesoscopic particulate systems with different particle gradations and compactness are generated precisely. To sum up, the present particle model provides insights into capturing and studying the meso-structure characteristics and macroscopic mechanical properties of particulate systems.     

微孔结构对PMI泡沫准静态压缩性能的影响

基于BBC点集建立了聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)闭孔泡沫的Kelvin十四面体模型和Laguerre模型,并采用有限元方法研究了其在准静态载荷作用下的压缩性能。分析了孔径大小、泡孔体积离散系数对压缩弹性模量、初始峰值应力和能量吸收能力的影响。结果表明:Kelvin十四面体模型可以较好地预测PMI泡沫的压缩弹性模量和峰值应力;在相同相对密度条件下,小孔径泡沫的初始峰值应力和能量吸收能力均高于大孔径泡沫,而压缩弹性模量则低于大孔径泡沫;随着泡孔体积离散系数的增大,闭孔PMI泡沫压缩弹性模量、初始峰值应力和能量吸收能力均减小。     

闭孔泡沫铝的力学性能和吸能能力

在闭孔泡沫铝准静态压缩试验的基础上,研究了其力学性能、吸能能力。结果表明,闭孔泡沫铝单轴压缩应力-应变曲线呈现线弹性变形、塑性平台阶段、致密化阶段3个阶段;闭孔泡沫铝的压缩强度、吸能能力随着孔隙率的增大而减小,采用Gibson-Ashby模型分析闭孔泡沫铝的压缩屈服强度,吻合良好。并在此基础上,提出可供工程使用的多孔泡沫金属吸能能力公式,为其工程应用提供理论支持。     

Modelling of aluminium foam core sandwich panels under impact perforation

Aluminium foam core sandwich panels are good energy absorbers for impact protection applications, such as light-weight structural panels, packing materials and energy absorbing devices. In this study, the high-velocity impact perforation of aluminium foam core sandwich structures was analysed. Sandwich panels with 1100 aluminium face-sheets and closed-cell A356 aluminium alloy foam core were modelled by three-dimensional finite element models. The models were validated with experimental tests by comparing numerical and experimental damage modes, output velocity, ballistic limit and absorbed energy. By this model the influence of foam core and face-sheet thicknesses on the behaviour of the sandwich panel under impact perforation was evaluated.     

钢纤维增强超高性能混凝土抗压性能的细观数值模拟

利用LS-DYNA软件在细观层次上建立了三维钢纤维增强超高性能混凝土（Steel fiber reinforced ultra-high performance concrete,SF/UHPC）圆柱体试件有限元模型,对其轴心受压下的力学性能和裂缝发展进行了数值模拟。在验证细观数值模型的有效性和合理性的基础上进行参数分析,着重研究了钢纤维体积率、钢纤维长径比、形状效应和尺寸效应对超高性能钢纤维混凝土抗压强度、韧性和破坏形态的影响。最终,根据模拟结果拟合了超高性能钢纤维混凝土抗压强度计算公式。结果表明：三维超高性能钢纤维混凝土细观模型可以较好地模拟单轴受压应力条件下混凝土的静力性能和损伤破坏机制,所拟合的公式也能较好地预测超高性能钢纤维混凝土的抗压强度。     

Effects of statistics of cell’s size and shape irregularity on mechanical properties of 2D and 3D Voronoi foams

In the study of the mechanical properties of metallic foam, the relative density (or porosity) and the average size of cells are two key parameters of the meso-geometry, but it is also well known experimentally that the two parameters alone are not enough since the mechanical properties of metallic foams are different even with the same initial relative density and average cell size. In this paper, we have classified the irregularity of cells into two types to describe polygonal and polyhedral cells in 2D and 3D metallic foams, which are called size irregularity and shape irregularity, respectively. The former reflects the deviation of the size of a cell from the average cell size in the foam and the latter reflects the deviation of the shape of a cell from a circle with the same area (2D) or a globe with the same volume (3D). With the two kinds of definitions, effects of the irregularity of cells in aluminum foam on mechanical properties are investigated using the Voronoi tessellation technique and the finite element method. The well- designed 2D and 3D Voronoi models are constructed, of which the statistic distributions of size and shape irregularity are presented. The compression simulations of Voronoi-based models indicate that the yield stress of metallic foam is seldom affected by the size irregularity, but significantly affected by the shape irregularity. The more regular the foams, the higher will be their yield plateau at constant overall relative density and average cell size.     

闭孔EVA泡沫类静态缓冲性能的研究

目的 研究密度与应变率对闭孔EVA泡沫材料类静态缓冲性能的影响规律。方法 基于包装用缓冲材料静态压缩试验法和能量吸收图法,对密度为80、95、106、124和180kg/m³的闭孔EVA泡沫试样在不同应变率下进行类静态压缩试验,得到应力-应变曲线,基于此进一步处理得到相应的单位体积能量吸收、能量吸收效率、缓冲系数和最大比吸能等曲线,同时绘制试样类静态压缩过程中的能量吸收图。结果 闭孔EVA泡沫材料的密度越高,密实化应变越小,最大单位体积能量吸收越大;在压缩应变相同时,应变率越大,应力、单位体积能量吸收、能量吸收效率、最大比吸能越大;得到了5种密度闭孔EVA泡沫材料的本构方程和闭孔EVA泡沫材料的能量吸收图及其斜率与应变率的关系式;通过分析密实化应变与相对密度的关系,得到相关拟合公式。结论 密度与应变率对闭孔EVA泡沫材料的缓冲性能有着非常大的影响,在一定的应力水平下会有一个最佳的密度使得刚好能吸收完能量,并保护产品不破损,该最佳密度受应变率的影响,因此可以通过能量吸收图进行相关的缓冲包装优化设计。     

闭孔泡沫铝压缩性能研究

闭孔泡沫铝作为一种新型多孔金属材料,被应用于各个领域,但其压缩力学性能受到孔隙率、孔洞结构参数、相对密度及材料基本力学性能等的影响,因此针对某闭孔泡沫铝企业研究出的一款新型产品,在确定其相关参数后进行10组试样的压缩力学试验,确定其应力-应变曲线,分析各段曲线意义和产生机理,并针对其特有的压缩力学性能,研究在外力作用下...