内部缺陷对闭孔泡沫铝压缩性能影响的有限元分析

泡沫铝是由铝或铝合金骨架及大量气泡构成的新型金属材料,其压缩性能在很大程度上受其内部缺陷及结构参数的影响.本文通过构建闭孔泡沫铝三维模型并应用Deform-3D软件对其准静态压缩变形过程进行数值模拟计算,讨论了结构参数及内部缺陷对其压缩性能的影响.实验结果显示:在准静态压缩过程中,随着孔隙率的增大闭孔泡沫铝的屈服平台应力逐渐减小;而在孔隙率相同的条件下,其平台应力随孔径的增大而减小;裂纹、大孔洞等缺陷会在一定程度上降低泡沫铝的力学性能,且应力一般集中在缺陷处.闭孔泡沫铝压缩过程中的变形主要以平行于加载方向的孔壁压缩变形为主,在胞壁的交界处应力相对集中,随着载荷的增加,这些交界处会发生塑性屈服或者断裂失效.     

闭孔泡沫铝结构参数对其压缩性能影响的有限元分析

在准静态条件下,用ABAQUS有限元软件对闭孔泡沫铝的压缩行为进行了有限元模拟,讨论了结构参数对其压缩力学性能及能量吸收的影响。结果表明:在准静态条件下,当孔隙率相同时,泡沫铝材料的屈服平台应力随着孔径的增大而减小;泡沫铝中孔洞的联通结构和大孔缺陷对屈服平台应力影响不大;泡沫铝材料的屈服平台应力随着孔隙率的增大而降低;当孔隙率为60%时,材料单位质量吸收的能量最多。     

泡沫铝叠片的压缩性能与高gn值冲击吸能研究

对不同密度、孔隙率、孔径的泡沫铝叠片进行了静态压缩试验，通过试验现象和结果研究了泡沫铝叠片的缓冲吸能本领．对采用泡沫铝叠片保护侵彻过程中弹载存储测试电路模块进行了初步的理论分析．实验和理论研究表明：泡沫铝叠片在准静态下具有良好的缓冲性能，利用它对测试电路模块进行保护是可行的．     

磁介质吸波剂／多孔金属材料吸波性能

为了研究磁介质吸波剂／多孔金属材料吸波性能,在泡沫铝合金表面涂覆了Ni—Zn铁氧体（CFe）、羰基镍粉（CNi）以及二者的复合粉,利用GJB2038-94“雷达吸波材料反射率测试方法”中的雷达截面（ReS）法对该材料的微波反射率进行了测量．结果表明,在12～18GHz频段内,复合磁介质吸波剂／泡沫铝材料吸波性能介于单一吸波剂样品CFe与CNi之间;在26．5～40GHz频段内,羰基镍质量分数为40％的泡沫铝复合材料吸波性能最好,当其质量分数大于40％时,材料吸波性能逐渐降低．因此,在泡沫铝合金表面涂覆适当比例的Ni—Zn铁氧体与羰基镍复合粉,可以进一步改善材料的吸波性能．     

泡沫铝填充钢/铝复合管轴向抗冲击吸能特性

为揭示泡沫铝填充复合材料的力学行为,本文以泡沫铝填充钢/铝复合管(Al-Foam filled clad tube,简称AlFFCT)为研究对象,采用多孔泡沫材料Crushable-foam本构模型,在ABAQUS平台上模拟分析了泡沫铝孔隙率、高径比、径厚比、界面结合状态和复合管层厚比等材料和结构参数对AI-FFTC吸能特性的影响。结果表明:泡沫铝孔隙率低于90%时,Al-FFCT的冲击屈曲模态均为轴对称变形,与结构参数无关;泡沫铝与复合管以及复合管组元间界面结合状态和层厚比对结构变形协调性和整体的抗冲击能力具有显著影响,可通过上述多个结构参数的组合匹配,实现综合吸能特性的柔性定制,比传统的泡沫铝填充管具有更大的设计空间,为汽车保险杠、吸能盒等缓冲结构设计提供了新的轻量化材料。     

随机壁厚三维实体泡沫铝建模及压缩仿真

针对壳体泡沫铝模型在几何建模及仿真计算中存在的问题,基于Voronoi模型提出了具有随机壁厚的三维实体泡沫铝模型的建模方法及其实现流程。通过使用Python语言编写的ABAQUS泡沫铝建模插件建立了实体泡沫铝模型,进行了泡沫铝的准静态压缩有限元仿真分析。对实体模型和壳体模型在仿真中的力学行为、变形模式及计算所得的材料应力-应变曲线进行了对比分析。研究结果表明:实体模型的仿真结果和变形模式与实验更接近;实体模型计算得到的应力-应变曲线波动更小、更加平滑;实体模型较壳体模型在压缩过程中受力和内部结构的模式更加合理。     

SiCw／6061Al复合材料的晶须取向与压缩变形行为

研究了晶须呈不同排列方式的ＳｉＣｗ／６０６１Ａｌ复合材料不同温度下的压缩行为。通过ＳＥＭ、ＴＥＭ观察了压缩前后复合材料的组织形貌,用热模拟试验机和图象分析仪对压榨过程中应力－应变曲线和压缩前后复合材料的取向进行了测定。结果表明,晶须同和变形温度对复合材料的压缩行为有重要影响,塑性变形仅是晶须转动的必要条件,晶须取向和变形温度决定复合材料变形的均匀性。     

超轻多孔金属材料研究获重要突破

中国科学院固体物理所在超轻型泡沫铝的制备研究方面取得重大突破。研究人员通过对渗流工艺的改进及后处理方法的探索．基本掌握了国际上最先进的石膏型渗流技术．能稳定地制备出密度小于0．2g/cm^3，以下（设计要求为≤0．3g／cm^3）开孔型泡沫铝，其结构均匀性达到美国DUOCEL泡沫铝的同等水平．     

泡沫铝叠片的压缩性能与高 gn 值冲击吸能研究

对不同密度、孔隙率、孔径的泡沫铝叠片进行了静态压缩试验, 通过试验现象和结果研究了泡沫铝叠片的缓冲吸能本领. 对采用泡沫铝叠片保护侵彻过程中弹载存储测试电路模块进行了初步的理论分析. 实验和理论研究表明 泡沫铝叠片在准静态下具有良好的缓冲性能, 利用它对测试电路模块进行保护是可行的.     

冷却速度对SiCp/2024Al热残余应力影响的数值模拟

针对冷却速度对SiCp／2024Al复合材料热残余应力的影响，通过复合材料显微组织观察，根据复合材料的形貌特征，建立了平面应力状态的复合材料组织模型，利用有限元方法对SiCp／2024Al复合材料淬火和退火过程的热应力进行了数值模拟．结果表明，由于SiC增强颗粒与铝基体之间的热膨胀系数差异较大，热处理后颗粒和基体的界面附近产生很大的热残余应力场，同时基体发生塑性应变；冷却速度对复合材料热残余应力没有明显影响．     

粉末冶金法制备Al—12％CuO系原位铝基复合材料的组织和性能

为了制备组织均匀、压缩性能良好的原位纳米颗粒增强铝基复合材料,本文以微米级纯铝粉和氧化铜粉为原料,用改进的高能球磨＋粉末冶金技术制备了原位增强铝基复合材料,研究了所制备的铝基复合材料的显微组织和密度、压缩强度等性能与制备工艺的关系．研究发现：高能球磨480r／min,16h＋单向模压热压烧结620℃,100MPa,1h,获得纳米级CuAlO2原位增强的铝基复合材料,在铝基体中均匀分布大量尺寸约1μm的CuAl2相．热压工艺对所制备的铝基复合材料的压缩强度有显著影响,620℃,100MPa单向模压复合材料的压缩强度为843．6MPa,而双向加压材料的压缩强度提高到950MPa;当单向压力提高到150MPa时,原位铝基复合材料的压缩强度进一步提高到1090MPa．     

基于渗流法的泡沫铝细观结构模型研究

泡沫铝能在较低的流动应力下产生较大的塑性变形,是一种优异的缓冲吸能材料.渗流法是目前较成熟的工业化生产开孔泡沫铝的方法之一,基于该方法的工艺流程,采用蒙特卡罗法和重力堆积法建立了泡沫铝的细观结构模型.结合SPH算法在应变率范围为10~10 000s-1内对泡沫铝的压缩行为进行数值模拟,并分析了泡沫铝的变形失效模式.结果表明:基于渗流法的数值模拟方法可以反映泡沫铝的动态压缩过程,并且高应变率下泡沫铝的变形模式与中低应变率相比存在明显的差异.     

泡沫铝填充6082-T6铝合金圆管构件轴压力学性能

薄壁金属构件与吸能泡沫材料组合形成的复合构件具有优越的耗能性能,本文将泡沫铝填充至6082-T6高强铝合金圆管中作为建筑结构中的耗能复合构件。为获得泡沫铝填充6082-T6铝合金圆管在轴压荷载下的响应特征、破坏机理及耗能性能,进行了20组不同径厚比和高径比的铝合金空管以及泡沫铝填充复合管的轴压试验。构件表现出3种破坏模式:劈裂破坏、叠缩劈裂破坏、叠缩劈裂+不规则变形破坏。填充泡沫铝能够有效改善构件在轴压荷载下的变形能力,避免其发生不规则变形破坏,并提高构件耗能能力。基于有限元分析平台LS-DYNA提出了合理的有限元建模方法并开展了参数分析,结果表明:构件峰值承载力与吸能能力均随壁厚和管径的增大而增大。当高径比增大时构件在轴压荷载下发生失稳破坏,而填充泡沫铝后构件发生失稳破坏的临界高径比增大。     

高孔隙率闭孔泡沫铝压缩力学性能试验研究

通过高孔隙率闭孔泡沫铝的准静态压缩试验,研究了不同孔隙率对其压缩力学性能的影响.试验结果表明,高孔隙率闭孔泡沫铝呈现出明显的3阶段受力特性.在试验的基础上,提出一种可反映该类构件主要压缩受力行为的三折线简化模型,研究了关键受力特征点的确定方法,分析了孔隙率对关键受力特征点相应关键参数的影响规律,基于统计回归分析建立了孔隙率和各特征点关键参数的量化关系,可为进一步明确高孔隙率闭孔泡沫铝的压缩力学行为提供重要参考.     

石墨烯增强铝基复合材料的动态力学性能研究

运用分离式霍普金森压杆装置对石墨烯增强铝基复合材料进行压缩实验,研究其在不同应变率压缩下的力学响应、变形组织和力学性能。结果表明：复合材料的动态压缩应力-应变曲线表现出明显的应变率强化效应,复合材料的屈服强度随应变率的增加而增大,石墨烯含量为0.5%时,屈服强度增幅最大;高应变率压缩会引起显著的晶粒细化,主要源于大晶粒的破碎和高应变率下动态再结晶的持续发生;经动态压缩后复合材料硬度明显增加,且应变率越高,硬度越大,石墨烯含量为0.75%时硬度最大,在1500s^-1应变率下其硬度为153.46HV。     

多孔CuAlMn形状记忆合金的制备及其压缩特性

首次以NaCl颗粒为造孔剂利用烧结-脱溶法成功制备出了多孔CuAlMn形状记忆合金,并对其宏、微观形貌特征及压缩性能进行了研究.结果表明多孔CuAlMn形状记忆合金为三维贯通的开孔网络结构,孔洞分布均匀,孔的大小、形貌与氯化钠颗粒相似.多孔CuAlMn形状记忆合金试样的准静态压缩应力-应变曲线分为明显的弹性区、平台区及致密化区3个区域.长而平的平台区表明多孔CuAlMn形状记忆合金具有良好的压缩吸能特性.     

上压渗流铸造法制备泡沫铝

采用上压渗流铸造法,利用盐粒和陶瓷网作为预制体,制备了开孔泡沫铝和闭孔泡沫铝,并对其孔隙率、透气性和显微硬度等性能进行了测试、分析．研究结果表明,上压渗流铸造法可制备出孔隙率高、透气性好的泡沫铝,且开孔泡沫铝的孔隙率都大于闭孔泡沫铝,而闭孔泡沫铝的硬度高于开孔泡沫铝．通过分析制备工艺参数发现,模具和预制体的预热温度在400～500℃、浇注温度在750—780℃、充型压力不超过0．5MPa时,可制备出性能良好、结构完整的泡沫铝．     

三维编织不对称内凹六边形复合材料吸能探究

利用三维编织技术制备了内凹六边形结构预制体,对三种不同内凹角的内凹六边形蜂窝状复合材料进行了压缩测试,分析了能量吸收性能和损伤变形演变。研究表明,三维编织内凹六边形蜂窝状复合材料在压缩过程中都产生层层单胞折叠压缩的变形演变趋势,载荷-位移曲线拥有较长的压缩平台期,表现出优异的能量吸收性能。内凹角度对内凹六边形复合材料吸能性能有明显影响,内凹角度50-50的试样的比吸能和平台载荷大于内凹角度60-60的试样;结构的不对称性可以提高内凹六边形复合材料的吸能性能,内凹角度50-60的不对称内凹六边形复合材料的比吸能和平台载荷是三种结构中最大的。     

泡沫混凝土压缩特性及抗压强度模型

制备了一系列的泡沫混凝土,对泡沫混凝土的压缩力学性能进行了测试,研究了泡沫混凝土压缩应力-应变曲线的特征,分析了影响泡沫混凝土压缩性能的相关因素,并运用Gibson-Ashby模型对抗压强度进行了模拟,通过拟合得出了抗压强度与相对密度的方程,确定了表征孔棱材料分数和孔壁断裂强度的微观结构参数。研究表明,泡沫混凝土压缩过程分为4个阶段,即平台阶段、密实阶段、屈服阶段和衰退阶段,其压缩力学性能受到基体材料、容重和气孔形态及分布等因素的影响;Gibbson-Ashby模型拟合的结果具有较高的合理性,对分析泡沫混凝土微观结构力学性能有较大的帮助。     

颗粒形状对铝基复合材料热残余应力影响的有限元分析

通过复合材料显微组织观察，建立了平面应力状态的复合材料组织模型，利用有限元方法对Al2O3p/2024Al复合材料和SiCp/2024Al复合材料淬火过程的热应力进行了数值模拟，研究了颗粒形状对铝基复合材料淬火处理过程下热残余应力的影响．结果表明，由于增强颗粒与铝基体之间的热膨胀系数差异较大，淬火处理后颗粒和基体的界面附近产生很大的热残余应力场，同时基体发生塑性应变．