泡沫金屬材料在沖擊載荷作用下的動態特性及變形機理研究.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、高比剛度和比強度、良好的機械性能等特點。特別是壓縮時，泡沫金屬材料可在較低常應力水平下通過塑性變形或結構潰塌耗散較高的沖擊能量，這種性能使人們對泡沫金屬材料在航空航天飛行器、高速列車、汽車、艦船以及人體防護和軍事防護工程中的緩沖裝置、減震設施以及保險杠等安全裝置中的應用產生了濃厚的興趣，有關泡沫金屬材料動態壓縮行為及變形機理的研究也因此受到十分的關注，并成為該研究領域的一個前沿性熱點

2、課題。泡沫金屬材料質量分布的非均勻性導致了其性能的不連續性，這種結構和性能的交互作用又使研究泡沫金屬材料的動態壓縮特性和變形機理變得十分復雜。泡沫金屬材料質量分布的非均勻性還體現在表觀密度及其它幾何參數的非均勻上，它們的變化介于孔徑(微觀尺度)與構件的宏觀尺寸之間，因此，可用介觀非均勻分布進行描述。目前，對介觀質量非均勻或梯度分布的泡沫金屬材料動態特性及變形機理的研究并不多，模型也較簡單，不能很好的表述材料的結構和性能特性，介觀分析模型

3、還需要進一步構建并不斷完善。
　　 本文提出一個二維介觀泡沫金屬材料動態分析模型。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材料性能的影響。泡沫金屬材料的非線性應力-應變關系定義為相對密度的函數，包括三個階段：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出的平臺應力階段；材料被壓實應力陡升的密實化階段。同時，應力-應變關系服從相應的加、卸載規律。非線性動力平衡方程在合適

4、的時間步長下通過顯式積分格式求解。對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特征的模擬結果顯示：⑴高應變率(13400s-1)下對Alulight 鋁泡沫材料壓縮變形模式的模擬與試驗研究結果吻合，證實了模型的合理性。⑵泡沫金屬材料在動態壓縮下的變形模式不同于準靜態壓縮下材料的變形模式；動態壓縮下的變形模式、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、沖擊載荷強度及載荷作用時間有關，同時還與泡沫金

5、屬材料的密度、密度分布的非均勻性及非均勻程度有關。⑶沖擊波在泡沫金屬材料中傳播有可能會引起應力增強現象。當泡沫金屬材料用作防護層試圖減少沖擊或爆炸對人體或結構的作用時，材料中一旦出現應力增強現象，有可能會對被保護人或物造成十分嚴重的損傷。模擬結果給出了不同密度泡沫金屬材料固定邊界出現應力增強的臨界載荷強度，并分析了載荷作用周期對臨界載荷強度的影響。⑷在動力壓縮中，泡沫金屬材料中的孔流體會對其壓縮變形及能量吸收產生一定的影響。模擬結果可為