泡沫材料微结构设计与弹性性能分析

采用球填充算法对两组真实泡沫材料微结构进行模型拟合,分别获得基于Laguerre模型的各向异性开孔泡沫材料与各向同性闭孔泡沫材料的微结构;同时结合Laguerre算法编程与有限元软件ABAQUS,开发了泡沫材料微结构的仿真软件VirtualTPS。最后讨论了低密度范围内,不同胞体体积变异系数与基体相对密度对泡沫结构相对弹性模量的影响,其数值分析结果表明,泡沫材料的相对弹性模量随体积变异系数变化较小,与相对密度呈幂指数关系。     

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。      

梯度铝泡沫夹层结构抗爆性能仿真与优化

采用动力显式有限元方法,以面比吸能和背板最大变形量为评价指标,研究了铝合金面板—梯度铝泡沫芯体—装甲钢背板夹层结构的抗爆性能。分析了芯体密度梯度排布对结构抗爆性能的影响,并与均匀密度铝泡沫夹层板进行了对比。同时,基于径向基函数建立了夹层结构抗爆性能预测响应面模型,在此基础上对夹层结构进行了多目标优化设计。结果表明,铝泡沫芯体相对密度排布顺序对夹层结构抗爆性影响明显;具有最佳芯体密度梯度排布的铝泡沫夹层结构的抗爆性能明显优于等质量的均匀密度铝泡沫夹层结构;多目标优化可进一步提高梯度铝泡沫夹层结构的综合抗爆性能。     

自然老化对空心玻璃微珠/环氧树脂及泡沫铝-空心玻璃微珠/环氧树脂力学性能的影响

制备了空心玻璃微珠(HGM)/环氧树脂复合泡沫材料、泡沫铝-HGM/环氧树脂两类环氧树脂基复合材料,测量了其在北方室内环境中自然老化前后的密度.通过一系列准静态压缩实验研究了HGM/环氧树脂和泡沫铝-HGM/环氧树脂两类复合材料的有效弹性模量、屈服极限等力学性能,分析了其破坏形貌与材料结构的关系及力学性能改变的原因.研究表明:环氧树脂老化后屈服极限有所降低,但HGM/环氧树脂复合泡沫材料的力学性能随着HGM填充量的增加呈先增加后降低的趋势.泡沫铝/环氧树脂复合材料老化后的力学性能出现明显降低,但添加HGM体积比高于20％的泡沫铝-HGM/环氧树脂复合材料的力学性能则有所增加.     

泡沫铝-空心玻璃微珠/环氧泡沫复合材料压缩及弯曲力学性能

制备了泡沫铝、泡沫铝-环氧树脂及含有不同体积分数空心玻璃微珠(HGM)的三种泡沫铝-HGM/环氧泡沫互穿相复合材料(IPC).通过一系列准静态压缩实验,观察了其变形形貌,研究了其弹性模量、屈服极限、比强度及比刚度等力学性能与HGM体积分数的关系.通过三点弯曲实验,研究了IPC的弯曲极限载荷、弯曲弹性模量等性能,分析了其断口形貌与材料结构的关系.实验结果表明:四种IPC的力学性能均较纯泡沫铝有大幅度的提高,其中,泡沫铝-环氧树脂的压缩和弯曲力学性能最好.随着复合材料中HGM体积分数增加,IPC力学性能逐渐缓慢降低.     

拉压弹性模量差异对泡沫铝夹芯板三点弯曲模拟的影响

泡沫铝材料是一种典型的拉压双模量材料,即受拉与受压时弹性模量不同。使用ABAQUS有限元软件对泡沫铝夹芯板的三点弯曲行为进行了模拟。首先,对泡沫铝芯层采用可压缩泡沫模型,通过对芯层的受拉区和受压区采用不同的弹性模量来讨论拉压弹性模量差异对夹芯板三点弯曲行为的影响。同时,在泡沫铝压缩响应一致的情况下,对可反映拉压弹性模量差异的孔洞模型和未考虑拉压弹性模量差异的可压缩泡沫模型的夹芯板三点弯曲模拟结果进行了比较。研究表明,泡沫铝芯层的弹性模量对夹芯板的三点弯曲行为模拟有较大影响。若不考虑泡沫铝拉压弹性模量的差异,得到的夹芯板三点弯曲情况下的加载刚度和屈服荷载明显偏低。     

拉压弹性模量差异对泡沫铝夹芯板三点弯曲模拟的影响

泡沫铝材料是一种典型的拉压双模量材料,即受拉与受压时弹性模量不同。使用ABAQUS有限元软件对泡沫铝夹芯板的三点弯曲行为进行了模拟。首先,对泡沫铝芯层采用可压缩泡沫模型,通过对芯层的受拉区和受压区采用不同的弹性模量来讨论拉压弹性模量差异对夹芯板三点弯曲行为的影响。同时,在泡沫铝压缩响应一致的情况下,对可反映拉压弹性模量差异的孔洞模型和未考虑拉压弹性模量差异的可压缩泡沫模型的夹芯板三点弯曲模拟结果进行了比较。研究表明,泡沫铝芯层的弹性模量对夹芯板的三点弯曲行为模拟有较大影响。若不考虑泡沫铝拉压弹性模量的差异,得到的夹芯板三点弯曲情况下的加载刚度和屈服荷载明显偏低。     

闭孔铝泡沫在静压痕下的力学响应

采用球形压头对闭孔铝泡沫材料进行了准静态压痕实验,研究了不同直径、铝泡沫相对密度及边界条件对铝泡沫的压痕硬度、吸能能力及能量吸收率的影响。研究表明,铝泡沫在球形压头作用下的响应曲线可采用幂函数形式进行描述,幂函数指数随相对密度的增大而线性增加。铝泡沫压痕处的断面显示铝泡沫变形被严格限制在压头之下,铝泡沫的压痕变形是局部的不均匀变形。铝泡沫的压痕硬度及吸能能力均随压头直径的增大而线性减小,但它们却均随铝泡沫相对密度的增大而线性增大;能量吸收率不随压头直径和铝泡沫相对密度而变化。在一定压痕深度范围内,刚性基础和简支条件对铝泡沫的压痕响应影响可以忽略不计。最后基于实验数据分别建立了压痕硬度和吸能能力与压头直径及铝泡沫相对密度的关系。      

功能梯度泡沫动力学响应分析

针对典型泡沫结构应力-应变曲线的线弹性区、屈服平台区及压实区构成特点,建立了泡沫结构的有效简化本构关系。依据功能梯度泡沫结构的特征,建立了此缓冲结构动力学模型。运用Runge-Kutta法分析了梯度函数、密度差和冲击输入能量对功能梯度泡沫结构的响应影响,并与均匀泡沫结构的响应进行了比较。结果表明:梯度泡沫结构对小得冲击输入能量载荷作用时比较有利,克服了均匀泡沫系统对一定冲击能量范围响应几乎不变化的特点,此结果为拓展泡沫结构材料的使用范围提供参考。     

相对密度对泡沫铝力学性能和能量吸收性能的影响

对不同相对密度的两种胞孔结构--开孔和闭孔泡沫铝进行了单轴压缩试验,研究了相对密度对泡沫铝力学性能和能量吸收性能的影响.结果表明:随着相对密度的增大,泡沫铝的屈服强度与流动应力也相应增加,通过对本实验结果进行拟合,得出泡沫铝的屈服强度与相对密度的关系式.泡沫铝材料吸收的能量随着应变量的增大而增加,在相同应变量下,高密度开孔泡沫铝的吸收能比低密度闭孔材料多.吸能效率反映材料本身的一种属性,高的理想吸能效率表明泡沫铝是一种优良的吸能材料.