本文關(guān)鍵詞：多孔材料力學(xué)性能數(shù)值模擬，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

多孔泡沫金屬力學(xué)性能數(shù)值仿真研究現(xiàn)狀
張偉，梁冰
遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，，遼寧阜新 (123000)
E-mail：kevin_heavens@163.com

摘 要：多孔泡沫金屬是一種內(nèi)部含有許多空隙的新型材料.由于其具有非泡沫金屬所沒有 的優(yōu)異特性

,因而多孔泡沫金屬在一般工業(yè)領(lǐng)域特別是高技術(shù)領(lǐng)域受到越來越廣泛的重視,也 引起了國(guó)內(nèi)外濃厚的研究興趣.本文對(duì)國(guó)內(nèi)外多孔泡沫金屬力學(xué)性能數(shù)值仿真研究現(xiàn)狀予以 綜合概述,同時(shí)對(duì)當(dāng)前研究的關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析,并且就今后的研究工作發(fā)表了一些看法. 以期為泡沫金屬的進(jìn)一步的研究、開發(fā)與應(yīng)用提供理論基礎(chǔ) 關(guān)鍵詞：泡沫金屬，建模，數(shù)值仿真，力學(xué)性能 中圖分類號(hào):TB301

1. 引 言
多孔泡沫金屬是一種新型功能材料.它以均勻細(xì)小孔徑和高孔隙率為特征的,具有減振、 阻尼、吸音、隔音、隔熱、散熱、電磁屏蔽等物理性能,是一種多功能兼用的功能材料.而從 結(jié)構(gòu)材料角度,它又具有密度小、輕質(zhì)、高比強(qiáng)度的特點(diǎn).在一般工業(yè)領(lǐng)域特別是高技術(shù)領(lǐng)域 越來越受到廣泛重視[1]. 力學(xué)性能是多孔泡沫金屬?gòu)?fù)合材料研究的主要方面之一.泡沫金屬在加工過程中和在作 為功能材料時(shí)都經(jīng)常會(huì)受到一定的載荷作用,而上述主要作為結(jié)構(gòu)材料的場(chǎng)合,更會(huì)處處受到 各種型式的載荷作用.所以,力學(xué)性能的研究對(duì)其是非常重要和很有必要的.因此,人們?cè)趯?duì)泡 沫金屬進(jìn)行廣泛的功能性能研究的同時(shí),也逐漸關(guān)注并越來越重視起其力學(xué)性能來,已投入了 大量的工作.目前,對(duì)其力學(xué)性能的研究主要有三種方法:實(shí)驗(yàn)研究、細(xì)觀結(jié)構(gòu)力學(xué)模型研究、 數(shù)值仿真研究.本文從數(shù)值仿真研究的角度對(duì)多孔泡沫金屬力學(xué)性能數(shù)值仿真研究予以綜合 概述,以此反映這方面的研究趨勢(shì)和新的進(jìn)展,并提出了一些看法和建議,以利于下一步研究 工作的深入開展.

2. 研究現(xiàn)狀
目前對(duì)材料力學(xué)性能的數(shù)值仿真主要是有限元分析法.對(duì)于多孔泡沫金屬?gòu)?fù)合材料而言, 由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及計(jì)算機(jī)容量的限制, 通常不可能把整體結(jié)構(gòu)作為對(duì)象進(jìn)行分 析, 而只能取其具有代表性的體積單元(RVE)——體胞為具體對(duì)象.國(guó)內(nèi)的研究者為更確切 建立體元所作的大量研究, 為用有限元法對(duì)三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值仿真奠定 了基礎(chǔ).

2.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀
當(dāng)今用有限元方法對(duì)三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值仿真的研究不多,我國(guó)則是

近幾年才有個(gè)別學(xué)者進(jìn)行了該方面研究.如中國(guó)科學(xué)院固體物理研究所的程和法[2] 用有限元模擬方法研究了不同孔徑的胞孔混合對(duì)泡沫鋁材料壓縮力學(xué)性能的影響,并用
ABAQUS有限元軟件建立了二維理想多孔材料結(jié)構(gòu)模型(正六邊形蜂窩),并進(jìn)行了有限元分 析和討論.認(rèn)為均勻孔徑的開孔泡沫鋁材料,相對(duì)密度不變時(shí),孔徑大小對(duì)壓縮力學(xué)性能幾乎 沒有影響:而當(dāng)孔徑不均勻時(shí),大小孔的相對(duì)體積比對(duì)壓縮性能的影響則較大.特別是彈性模

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量,控制相對(duì)體積比(以大孔中混入少量小孔為宜),可使泡沫鋁材料的相對(duì)密度降低而彈性模 量上升.李志彬[3]利用ANSYS軟件中的LS-DYNA模塊建立了如圖1所示的泡沫鋁的三維單胞 模型, 研究了泡沫鋁的相對(duì)密度、應(yīng)變率和缺陷對(duì)開孔泡沫鋁動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影

響,模擬計(jì)算結(jié)果表明,開孔泡沫鋁材料具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng),說明泡沫鋁在高應(yīng)變率下具
有很好的吸能性能.

圖 1 泡沫模型單胞形狀

圖 2 胞孔的單胞結(jié)構(gòu)(L 為孔徑,t 為壁厚)

趙明娟[4]利用現(xiàn)成的商業(yè)有限元軟件Marc進(jìn)行了泡沫鋁結(jié)構(gòu)性能的計(jì)算機(jī)仿真模擬,通 過數(shù)值模擬反映了泡沫鋁的結(jié)構(gòu)性能,評(píng)估和預(yù)測(cè)了一定孔隙率條件下泡沫鋁的機(jī)械性能和 能量吸收性能.胡孔剛[5]用ABAQUS有限元軟件模擬了由大、小孔徑混合而成的孔結(jié)構(gòu)對(duì)開 孔泡沫鋁剛度和強(qiáng)度的影響.數(shù)值模擬結(jié)果表明,當(dāng)開孔泡沫鋁的孔結(jié)構(gòu)是由大孔和小孔按照 一定的尺寸比和體積比所組成時(shí),不僅可以使該泡沫鋁的力學(xué)性能得到了提高.而且可以降低 泡沫鋁的密度.曹曉卿[6]利用LS-DYNA商業(yè)軟件建立了如圖2所示的幾何模型,并對(duì)開孔泡沫 鋁材料在SHPB裝置上的動(dòng)態(tài)壓縮行為及胞孔變形進(jìn)行了數(shù)值模擬.討論分析了胞孔尺寸變 化對(duì)開孔泡沫鋁合金動(dòng)力學(xué)性能的影響.認(rèn)為胞孔尺寸對(duì)開孔泡沫鋁材料的能量吸收效率及 單位體積吸收的能量的影響沒有對(duì)楊氏模量和壓縮強(qiáng)度的影響大.各種胞孔尺寸的開孔泡沫 鋁材料的單位體積吸收的能量均比能量吸收效率的最大值對(duì)應(yīng)變率的變化敏感.蒲懷強(qiáng)[7]采 用了ANSYS/LS-DYNA商業(yè)軟件對(duì)泡沫鋁結(jié)構(gòu)的整體靜、動(dòng)態(tài)響應(yīng)及泡沫鋁結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)、 動(dòng)態(tài)載荷作用下的大變形彈塑性行為做了數(shù)值模擬計(jì)算.賈學(xué)軍[8]利用ANSYS平臺(tái)和二次開 發(fā)工具,建立了如圖3所示的Kelvin十四面體的開孔泡沫材料的有限元計(jì)算模型,預(yù)測(cè)出不同
H H H H 相對(duì)密度下規(guī)則多面體結(jié)構(gòu)的等效彈性系數(shù) E1111 , E1122 , E1212 和等效泊松比 ?12 .的出結(jié)

論:Kelvin結(jié)構(gòu)的剛度質(zhì)量比隨著相對(duì)密度增大而增大,剪切剛度質(zhì)量比在相對(duì)密度3%左右 出現(xiàn)極小值點(diǎn).在同一相對(duì)密度下,閉孔結(jié)構(gòu)的等效模量要大于開孔結(jié)構(gòu)的等效模量;在低密
H 度時(shí)開孔結(jié)構(gòu)的泊松比 ?12 變化較大.

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圖3 開孔泡沫十四面體模型

圖4 泡沫材料的細(xì)觀力學(xué)模型

李戰(zhàn)莉[9]利用工程軟件MSC.Patran,從細(xì)觀力學(xué)的角度建立了如圖4所示的泡沫材料的力 學(xué)模型(即代表性體積單元),并通過對(duì)細(xì)觀代表性體積單元的有限元應(yīng)力分析,得到泡沫材料 的宏觀等效彈性模量.有限元計(jì)算的結(jié)果顯示泡沫材料宏觀拉壓等效彈性模量的比值在2. 0-3.0之間,從而驗(yàn)證了泡沫材料是拉壓雙模量材料.廖明順[10]通過MARC數(shù)值模擬軟件,對(duì)真 實(shí)多孔材料的有限元模型進(jìn)行初步的壓縮過程模擬,分析研究了相對(duì)密度對(duì)蜂窩材料壓縮變 形機(jī)制、屈服強(qiáng)度、平臺(tái)應(yīng)變以及能量吸收特性的影響.以及不同缺陷及缺陷數(shù)量對(duì)蜂窩材 料壓縮變形機(jī)制、 屈服強(qiáng)度、 平臺(tái)應(yīng)變以及能量吸收特性的影響. 石上路[11]和盧子興[12]利用 十四面體模型描述開孔泡沫材料的胞體結(jié)構(gòu),并用有限元方法確定了開孔泡沫材料的彈性模 量.張俊彥[13]用ANSYS軟件研究了胞壁彎曲和胞壁缺省兩種缺陷對(duì)多孔材料力學(xué)性能的影 響,模擬結(jié)果表明胞壁缺陷會(huì)極大地降低材料的力學(xué)性能;缺陷的存在,將改變其周邊胞壁的 受力狀態(tài),若缺陷分布不均時(shí),會(huì)導(dǎo)致試件變形形式發(fā)生改變.

2.2 國(guó)外現(xiàn)狀
九十年代末期國(guó)外有學(xué)者開始探討過多孔金屬材料的數(shù)值模擬工作[14-23],Shulmeister[24] 對(duì)低密度彈性開孔泡沫材料的大變形進(jìn)行了數(shù)值研究;Papka[25]用有限元法研究了蜂窩的沖 擊與損傷;Noor[26]對(duì)三點(diǎn)彎曲的板和殼的計(jì)算模型作了有益的探討.Jaeung Chung等[27]用有限 元對(duì)聚碳酸酯蜂窩材料在面內(nèi)受單軸壓縮的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值模擬,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較 好.Chen等人的研究還發(fā)現(xiàn),理想六邊形蜂窩面內(nèi)彈性性能是各向同性的,塑性性能也近似各 向同性[28],他們的研究還發(fā)現(xiàn)對(duì)于相對(duì)密度低于0.3的情況,每個(gè)胞壁用一個(gè)ABAQUS梁?jiǎn)卧?即足可準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)金屬蜂窩材料的力學(xué)響應(yīng),并且材料參數(shù)選用典型鋁合金材料數(shù)據(jù),材料屬 性采用了理想彈-塑性本構(gòu)方程刻畫.但他們采取了各個(gè)胞壁材料均完全相同的假設(shè),沒有考 慮微結(jié)構(gòu)造成的性質(zhì)不均勻性.Kyriakides[29]借助分析與母體結(jié)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)特征單元以研 究在相同載荷下的蜂窩材料變形和失穩(wěn)力學(xué)現(xiàn)象.Chen等[28,30]用有限元方法重點(diǎn)研究了蜂窩 材料在有隨機(jī)分布微裂紋的情況下,大尺寸剛性夾雜和因胞壁缺失形成的大尺寸孔洞對(duì)規(guī)則 六邊形蜂窩材料的彈性模量和屈服強(qiáng)度的影響.Guo和Gibson[31]用有限元方法分析了胞元缺 失對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)的彈性模量、彈性屈曲、塑性屈服等的影響,兩個(gè)缺失胞壁的分散距離對(duì)塑性 屈服強(qiáng)度的影響比較小,當(dāng)距離大于10倍胞元尺寸時(shí),相互作用幾乎消失.Huang和Gibson[32]用 有限元方法分析了中心短裂紋脆性金屬蜂窩的斷裂韌性,Andrews和Gibson[33]用有限元方法 分析了缺陷尺寸和胞元尺寸對(duì)6101-T6鋁蜂窩含圓孔、中心裂紋、缺口裂紋試件的影響.在

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Schlangen的工作中[34],選用了鏈網(wǎng)模型來模擬雙切口試樣在剪切載荷下脆性材料隨機(jī)破壞性 能,人為假定認(rèn)為25%的單元為低強(qiáng)度單元,75%的單元為高強(qiáng)度單元,強(qiáng)度比為1:3,采用了彈 性本構(gòu),以梁的節(jié)點(diǎn)力除以梁橫截面積為判據(jù),發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格的細(xì)分不影響裂紋脆性擴(kuò)展模式,但 得到的裂紋的載荷-張開位移響應(yīng)曲線明顯不同.可能的原因是由于結(jié)構(gòu)破壞響應(yīng)對(duì)材料細(xì) 觀參數(shù)是敏感的,網(wǎng)格的細(xì)分自然會(huì)影響非均勻材料的細(xì)觀參數(shù),結(jié)果會(huì)有差別.

3．現(xiàn)狀分析與展望
泡沫金屬材料的優(yōu)良品質(zhì),近年來引起了力學(xué)和材料科學(xué)研究者的高度重視.由于泡沫金 屬材料的工藝和結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,現(xiàn)在對(duì)其力學(xué)性能的研究仍然是以實(shí)驗(yàn)為主[35-52].但在實(shí)驗(yàn)研 究方面材料品種單一,絕大部分是單純的泡沫金屬材料.新型泡沫金屬基復(fù)合材料如填充硅橡 膠的泡沫金屬?gòu)?fù)合材料、 填充環(huán)氧樹脂納米蒙脫土的泡沫金屬?gòu)?fù)合材料、 泡沫金屬基網(wǎng)絡(luò)交 織復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)研究很少,數(shù)據(jù)單一[53-59].事實(shí)情況,在相同的應(yīng)力峰值下,鋁/硅橡膠交織復(fù) 合材料的壓縮吸能性和吸能效率均高于參數(shù)相同的泡沫鋁,因而可作為性能優(yōu)異的吸能材料 同時(shí),當(dāng)今用現(xiàn)有的有限元軟件對(duì)泡沫金屬的力學(xué)性能研究只是停留在單純泡沫金屬的 方面,而對(duì)于高分子材料(硅橡膠、 環(huán)氧樹脂等)填充泡沫金屬形成的泡沫金屬基復(fù)合材料的力 學(xué)性能的數(shù)值仿真研究卻很少[60].今后,擴(kuò)展新型泡沫金屬?gòu)?fù)合材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫,挖掘新 型泡沫金屬?gòu)?fù)合材料特有力學(xué)性能,應(yīng)用現(xiàn)有的有限元軟件對(duì)填充高分子材料的泡沫金屬的 力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值仿真、性能預(yù)測(cè)將是泡沫金屬?gòu)?fù)合材料力學(xué)性能研究的主要方向.

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Porous foam metal Mechanics function numerical value simulates studying current situation
Zhang Wei, Liang Bing
College of mechanics and Engineering,Liaoning Technical University ,Fuxin,China (123000) Abstract
The porous foam metal is one kind of interior includes many interstitial new materials. Because it has non-foam metal no outstanding characteristic, thus is specially the high-tech domain receives the more and more widespread value in the general industry domain, also has aroused the domestic and foreign strong research interest. This article synthesizes the outline to the domestic and foreign porous foam metal mechanics performance value simulation research present situation, simultaneously has carried on the analysis to the current research key question, and has expressed some views on the next research work. Take the time as the foam metal further research, the development and the application provides the rationale Keywords: Foam metal; Build a model; Numerical value simulates; Mechanics function

作者簡(jiǎn)介：張偉，男，1982 年生，碩士研究生，主要從事多孔泡沫金屬的力學(xué)性能方面的 研究。

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  本文關(guān)鍵詞：多孔材料力學(xué)性能數(shù)值模擬，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。