基于真实结构的泡沫铝建模方法

在深入分析真实结构泡沫铝的细观结构特点的基础上，提出了泡沫铝的三维有限元模型的建模方法。首先，根据泡沫铝样品的胞孔分布及形状特征，决定采用随机椭球形、随机球形及随机不完整球形来模拟胞孔的形状特征，为此开发了随机胞孔投放算法及边界条件算法。其次，将初始有限元模型进行剖分之后，通过引入胞孔识别算法建立了泡沫铝的三维有限元模型，其中包括胞孔均匀分布和梯度分布有限元模型。最后，研究了冲击载荷下泡沫铝胞内有无空气对整体力学性能的影响及压缩过程中孔壁的变形损伤机理。研究结果表明，所建立的三维有限元模型能够较好地反映泡沫铝的变形损伤机理，且在高速冲击下空气对泡沫铝的力学性能略有影响。     

开孔泡沫铝材料静态压缩力学性能与吸能特性

实验研究了开孔泡沫铝材料静动态压缩过程的力学性能和吸能特性.得到了材料在静态压缩下(1.0×10-3s-1)的微观变形特点.用单位体积的吸能W来表征材料的吸能特性,分析了在静态条件下孔径和材料叠加对泡沫铝材料的应力-应变关系和单位体积吸能的影响规律.     

陶瓷颗粒与熔体合金增粘制备泡沫铝的研究

在熔体发泡法制备泡沫铝的过程中,研究了陶瓷颗粒与熔体合金元素共同增粘对泡沫铝孔结构、孔隙率和力学性能的影响。运用SEM、EDS等技术,对不同增粘制备的泡沫铝的胞壁微观组织进行检测。分析了新相对泡沫铝孔结构和孔隙率的影响。在相同加载速度下,对泡沫铝样品做了准静态压缩试验,分析了不同增粘泡沫铝的力学性能。结果表明:氧化钙与单质钙共同增粘可制备出气孔分布均匀、孔隙率较高的泡沫铝。泡沫铝胞壁中的金属间化合物在气孔合并、长大过程中,对气孔保持规则的泡孔结构、增加孔隙率具有重要作用。采用共同增粘制备的泡沫铝不仅具有单质钙增粘的高能量吸收性能,还具有氧化钙增粘的较高屈服强度。     

闭孔泡沫材料3-D几何建模及力学性能分析

为建立闭孔泡沫金属材料泡孔及其孔壁结构形状数字化模型,提出在Voronoi多面体内填充空心椭球(Hollow Ellipsoid Filled in Voronoi Cell,HEFIVC),并以椭球半轴长度及其方位角为变量、胞体质量最小为目标建立优化模型,迭代模拟闭孔泡沫金属材料中气泡的长大过程,成功构建了不同孔隙率的泡沫铝几何模型。通过拟合确定了HEFIVC模型中最小孔壁厚度与孔隙率间的关系。将具有周期性边界的闭孔泡沫材料HEFIVC几何模型导入MSC.MARC有限元软件,模拟分析了低孔隙率泡沫铝的静态压缩力学性能,通过与泡沫铝压缩实验结果对比,验证了该模型的准确性。     

泡沫填充铝合金多胞防爬器的吸能机理

提出了一类新型防爬器—泡沫填充铝合金多胞防爬器，并通过数值仿真结合试验验证的方法研究了其在轴向荷载作用下的能量吸收机理。结果表明，填充闭孔泡沫铝并提高其密度可以在峰值压溃力几乎不变的前提下有效提高铝合金多胞防爬器的能量吸收能力，且能够进一步提升蒙皮材料的吸能潜力。此外，当壁厚较小时，该防爬器极易产生不利于能量吸收的整体失稳；而壁厚增大时，防爬器的变形模式趋于稳定，总能量吸收增加，且蒙皮材料的能量吸收占比逐渐增加。     

泡沫铝芯体夹层板压缩力学性能的试验研究

本文对泡沫铝芯体夹层板材的准静态和动态力学性能进行了试验研究.在SHPB设备上测试了不同冲击速度时的动态压缩响应,为了对比,也测试了静态压缩力学性能.结果表明泡沫铝芯体夹层板准静态和动态压缩过程均具有明显的三阶段特征.即弹性区、屈服平台区和致密区.随着应变率的增加,泡沫铝芯体夹层板的动态屈服强度增加,具有明显的应变率效应.     

泡沫铝的制备及其力学行为的研究

简要介绍泡沫金属的性能特点、制备方法及其应用.采用加压渗流法制备具有开孔结构的泡沫铝,并对此分别进行准静态和动态压缩实验,研究其静态和动态压缩应变力-应变响应特征、应变率效应和吸能特性.实践证明这种泡沫铝具有很明显的应变率效应.     

合金化对泡沫铝压缩力学行为的影响

采用Si、Mg及Cu元素进行合金化处理，制备了几种不同力学性能的开孔泡沫铝，通过准静态压缩实验研究了合金化对泡沫铝压缩力学性能与吸能特征的影响。实验结果表明，Si、Mg及Cu元素合金化处理能显著改变泡沫铝的应力-应变行为与吸能特征，使泡沫铝的屈服强度提高，吸能性大幅度上升。     

泡沫金属的尺寸效应和约束条件下的压缩性能

通过准静态单轴压缩和径向约束轴向压缩实验,研究了闭孔泡沫铝的尺寸效应,分析了试件尺寸(直径和高度)和密度对泡沫材料力学性能的影响。结果表明：单轴压缩时闭孔泡沫铝力学性能具有较为明显的尺寸效应,而径向约束轴向压缩时闭孔泡沫铝的尺寸效应不明显。两种加载情况下,密度都对闭孔泡沫铝的力学性能有着明显的影响。与单轴压缩相比,径向约束轴向压缩时闭孔泡沫铝的屈服应力和平台应力随密度的变化更为显著。     

石膏型渗流法制备的开孔泡沫铝的压缩行为研究

本文采用可溶石膏型预制块,通过加压渗流的方法制备了泡沫纯铝、泡沫ZL101合金和泡沫ZL102合金,并通过准静态压缩实验研究了3种不同基体材料的泡沫铝的压缩行为及吸能性能.结果表明:通过石膏型渗流法制备的开孔泡沫铝合金的孔隙率可以达到85％～93.5％;泡沫铝基体材料的力学性能对泡沫铝压缩力学性能有重要影响;泡沫ZL1...     

新型超轻TiAl多孔材料的制备及其力学性能

基于化学反应造孔和物理占位造孔的联合作用,发展了一种新型Ti Al金属间化合物多孔材料的制备工艺,具体可用均混、压制、脱溶、烧结4个阶段来描述。该工艺实现了毫/微米双孔结构Ti Al多孔材料的制备,其中微米孔由Kirkendall效应产生,毫米孔由物理占位造孔颗粒实现。材料具有完全的通孔结构,孔洞分布均匀,且孔隙率、孔径、孔型、孔结构可控,最高孔隙率可达90%。准静态压缩力学性能测试表明,Ti Al多孔材料属于脆性多孔材料,具有典型的脆性破坏断裂机制,其屈服强度与相对密度的关系可通过Gibson-Ashby正六面体单胞模型来解释。     

重力渗流制备正方形孔多孔铝工艺研究

利用ProCAST铸造仿真模拟软件对正方形孔多孔铝重力渗流制备过程进行了数值模拟。运用控制变量法,研究了冒口高度、浇注温度、预热温度、孔径与壁厚的大小关系对正方形孔多孔铝铸造缺陷的影响规律,由此得出重力渗流法制备正方形孔多孔铝的优良工艺,并以此工艺成功制备了正方形孔多孔铝试样,对模拟结果进行实验验证。     

搅拌摩擦加工制备的闭孔泡沫铝的组织及性能

为避免传统方法制备大面积闭孔泡沫铝工艺过程的局限性，采用搅拌摩擦加工技术结合加热工艺制备闭孔泡沫铝复合材料。采用有限元软件对搅拌摩擦加工制备预制体过程的温度场进行了模拟仿真，研究了制备工艺参数对泡沫铝预制体质量的影响规律。利用光学金相显微镜对不同加工工艺参数及发泡时间条件下制备的泡沫铝孔隙率和形貌进行了分析。同时，对闭孔泡沫铝进行了准静态压缩性能试验，研究了不同孔隙率下泡沫铝的压缩性能。结果表明，与搅拌针移动速度相比，不同旋转速度对闭孔泡沫铝预制体的形貌影响更大。当搅拌针移动速度50 mm·min^-1、旋转速度2000 r·min^-1时，焊核区金属和夹层中的混合粉末发生了充分的塑性变形，粉末圈分布连续且均匀。模拟结果表明：搅拌摩擦加工时最高温度区域出现在搅拌针附近，呈“碗状”分布，此时温度达到最大值491℃,焊核区金属和夹层中的混合粉末发生充分塑性变形和流动，模拟结果与试验结果一致。经过680℃发泡后，泡沫铝最大孔隙率为69.3%,平均泡孔直径为Φ130μm,屈服应力为3.2 MPa,平台应力值为2.9 MPa。     

TPU蜂窝结构压缩及吸能特性研究

为了解TPU蜂窝结构的力学特性，采用增材制造技术制备了不同胞元参数的蜂窝结构，进行了压缩试验，并在此基础上建立了TPU蜂窝结构有限元仿真模型，开展了动态仿真模拟研究。结果表明，TPU蜂窝结构在面外压缩过程中经历线弹性、平台区和密实化3个阶段，压缩速度越大，平台区越短。而其在面内压缩下，无明显的线弹性阶段，压缩速度对其变形模式的影响也较小。无论是面内压缩还是面外压缩，壁厚边长比对TPU蜂窝结构的平均平台应力和比吸能的影响远大于胞元扩展角对其的影响。在压缩进入密实化阶段前，蜂窝结构比吸能随压缩速度的增大而增大。面内压缩时，蜂窝结构比内能基本不受加载速率的影响，比吸能的增大由比动能的增量贡献。面外压缩时，蜂窝结构受惯性效应影响明显，压缩过程中出现局部密实化，蜂窝结构的比动能和比内能都显著增大。     

闭孔泡沫铝力学性能的尺寸效应研究

进行具有不同尺寸的闭孔泡沫铝试件的准静态单轴压缩试验,获得了名义压缩应力-应变曲线。实验结果表明,闭孔泡沫铝的力学性能具有较为明显的尺寸效应。当厚度不变时,闭孔泡沫铝的屈服应力会随着压缩横截面的增大而有所提高;当压缩横截面不变时,闭孔泡沫铝的屈服应力先是随着试件厚度的增大而减小,然后趋向稳定。最后,对造成尺寸效应现象的相关机理进行了解释。     

闭孔泡沫铝有效热导率模型及传热模拟研究

有效热导率是表征闭孔泡沫铝热性能的重要参数,准确预测闭孔泡沫铝的有效热导率具有重要意义。本研究基于已有的闭孔泡沫铝有效热导率模型,提出了一个改进模型,并采用数值模拟方法针对闭孔泡沫铝的非稳态传热过程进行了分析,基于温度场分布获得了有效热导率。结果表明与Lu模型相比,改进模型的预测精度更高;与文献中3个理论模型相比,改进模型具有更好的适用性及预测精度;当采用数值模拟方法计算有效热导率时,沿传热方向的胞孔数对有效热导率的预测精度影响较大;在保证泡沫铝胞孔数足够的条件下,数值模拟结果的精度最高;从成本及精度两方面考虑,改进模型有更好的适用性。     

多层泡沫铝夹芯结构准静态力学性能和吸能特性研究

采用闭孔泡沫铝和铝合金板制备单层夹芯板和六种多层夹芯结构。通过分析胞孔变形模式和宏观变形模式,研究了夹层板和芯层数量对结构准静态压缩力学性能和吸能特性的影响机制。结果表明：夹层板通过调节芯层间应力状态使芯层逐层坍塌,减少了由倾斜变形带的形成和延伸所导致的多芯层同步变形、横向滑动以及两侧滑移,使结构具有更高的坍塌应力、平台应力、单位体积吸能量以及更小的致密应变；芯层数量的增加导致无夹层板结构中变形带的长度和数量增加,从而改变了其宏观变形模式,致使结构两侧滑移现象加剧,同时积累了有夹层板结构中多个芯层中的胞孔缺陷,因此影响了逐层稳定变形,导致致密应变增大,坍塌应力、平台应力和单位体积吸能量减小,致密应变处的吸能效率降低。与其他结构相比,三层泡沫铝夹层板具有最佳的抗压强度和吸能性能。     

准静态压缩AlSi10Mg铝合金柱胞单元的变形特性

通过TYEH-2000型微机控制恒加载压力试验机进行了AlSi10Mg铝合金的准静态压缩实验,对不同曲率半径、可压缩高度和壁厚的铝制柱胞单元在准静态压缩条件下的变形规律和变形能进行了对比。将ABAQUS仿真软件的计算结果与实验结果进行了对比,发现两者具有较好的一致性。研究表明,当曲率半径由15 mm增加到25 mm时,柱胞单元首次崩碎的峰值应力降低了约54.4%,崩碎时的应变增大了约57.1%,变形能增加了约13.1%。当壁厚从1.2 mm增加至1.7 mm时,柱胞单元首次崩碎的名义应变变化不大,但其名义峰值应力增加了约18.4%;变形能增加了约23.4%。当可压缩高度由5 mm增加至10 mm时,其名义峰值应力增加了约19.4%,完全压缩时的变形能增加了约138.5%。随着曲率半径和壁厚的增加,柱胞单元的比吸能降低,但可压缩高度增加时比吸能提高。     

泡沫铝合金显微组织和压缩力学性能的研究

采用Si、Mg及Cu元素进行合金化处理，制备了几种不同力学性能的开孔泡沫铝，并通过准静态压缩实验，研究合金化对泡沫铝压缩力学行为与吸能特征的影响。实验结果表明：采用Si、Mg及Cu元素合金化处理显著改变了泡沫铝的应力-应变行为与吸能特征，使泡沫铝的屈服强度提高，吸能性大幅度上升。另外，还研究了渗流法制备工艺对泡沫铝微观组织和性能的影响，结果显示由于渗流法制备过程特殊的凝固条件，使得泡沫铝的微观组织比相同成分的铸造铝合金的组织明显粗大。     

以尿素为造孔剂制备开孔NiAl金属间化合物

以尿素为造孔剂,利用燃烧合成技术成功制备孔洞结构和力学性能可控可调的开孔NiAl金属间化合物,并对材料的宏观和微观形貌、准静态压缩性能进行分析。通过调整尿素的体积分数和颗粒大小,多孔NiAl金属间化合物的孔隙率可控制在57.57%-84.58%,孔径大小可控制在0.4-2.0mm。准静态压缩实验表明,多孔NiAl金属间化合物的力学性能可用Gibson-Ashby模型来解释。