【摘要】：泡沫金屬具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、吸能效率高等優(yōu)良性能,在航空航天、交通運(yùn)輸和吸能減震等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。泡沫金屬及其復(fù)合結(jié)構(gòu)在應(yīng)用時(shí)承受多軸復(fù)雜加載工況,發(fā)生大變形甚至破壞斷裂行為,因此,多軸加載下泡沫金屬屈服面和破壞面的正確表征顯然十分必要。然而,由于泡沫金屬多軸試驗(yàn)特別是多軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常少,數(shù)據(jù)離散大,因此泡沫金屬屈服面表征存在爭(zhēng)議,而且多軸加載下泡沫金屬破壞面研究幾乎空白。針對(duì)這些存在的問(wèn)題,本文基于3D Voronoi細(xì)觀模型,采用優(yōu)化的無(wú)量綱參數(shù)和被驗(yàn)證的基體材料參數(shù),開展三軸等比例加載數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn),研究多軸加載條件下泡沫金屬屈服和破壞行為,并定量研究相對(duì)密度、形狀不規(guī)則度以及胞壁厚度分布等參數(shù)對(duì)泡沫金屬屈服面和破壞面的影響。具體包括:(1)建立泡沫金屬細(xì)觀模型有限元模型并驗(yàn)證其合理性。根據(jù)泡沫鋁單軸試驗(yàn)確定基體材料參數(shù)。采用無(wú)量綱方法探究質(zhì)量縮放、單元尺寸與類型以及加載速率等參數(shù)對(duì)計(jì)算精度和效率的影響,并推薦了優(yōu)化的無(wú)量綱參數(shù),這些參數(shù)對(duì)類似的Voronoi細(xì)觀結(jié)構(gòu)的非線性數(shù)值分析具有一定的參考價(jià)值。(2)提出適合泡沫金屬三軸加載的初始屈服判據(jù)�；谀芰坑^點(diǎn),綜合考慮多軸加載下不同荷載的影響以及單軸加載屈服條件,選取單軸壓縮屈服狀態(tài)(0.2%塑性應(yīng)變)的無(wú)量綱塑性耗散功作為初始屈服判據(jù)。該判據(jù)避免采用單一等效應(yīng)力或靜水壓定義屈服狀態(tài),更加合理地確定出泡沫金屬多軸加載初始屈服點(diǎn)。(3)開展三軸等比例數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn),研究多軸加載泡沫金屬屈服面特性。根據(jù)屈服面的拉伸壓縮不對(duì)稱性,提出雙參數(shù)(單軸壓縮和拉伸屈服強(qiáng)度)歸一化方法,發(fā)現(xiàn)歸一化的屈服面不受相對(duì)密度影響。并定量研究了相對(duì)密度、形狀不規(guī)則度以及胞壁厚度分布等參數(shù)對(duì)泡沫金屬屈服面和歸一化屈服面的影響。(4)研究多軸加載泡沫金屬破壞面特性。提出峰值應(yīng)力破壞判據(jù),進(jìn)行應(yīng)力表征破壞面的研究,定量分析了相對(duì)密度、形狀不規(guī)則度及胞壁厚度分布等參數(shù)對(duì)泡沫金屬破壞面的影響。初步探究了應(yīng)力三軸度對(duì)破壞時(shí)等效塑性應(yīng)變的影響。
[Abstract]:Foamed metal has many excellent properties, such as light weight, high specific strength, high energy absorption efficiency and so on. It has a broad application prospect in aerospace, transportation and energy absorption and shock absorption. The foam metal and its composite structure are subjected to complex multiaxial loading conditions, resulting in large deformation and even fracture behavior. Therefore, it is necessary to characterize the yield surface and failure surface of foam metal under multiaxial loading. However, because the data of multiaxial test, especially the multiaxial tensile test, are very few and the data are discrete, the characterization of foam metal yield surface is controversial, and the study on the failure surface of foam metal under multiaxial loading is almost blank. Aiming at these problems, based on 3D Voronoi mesoscopic model, the optimized dimensionless parameters and the verified matrix material parameters are adopted to carry out the numerical simulation experiment of triaxial and equal proportion loading. The yield and failure behaviors of foam metals under multiaxial loading were studied. The effects of relative density, shape irregularity and cell wall thickness distribution on the yield and failure surfaces of foam metals were studied quantitatively. The main contents are as follows: (1) the finite element model of foam metal meso model is established and its rationality is verified. The matrix material parameters were determined according to the uniaxial test of aluminum foam. The dimensionless method is used to study the effects of the parameters such as mass scaling, cell size and type, loading rate on the calculation accuracy and efficiency. The optimized dimensionless parameters are recommended. These parameters have certain reference value for nonlinear numerical analysis of similar Voronoi mesoscopic structures. (2) the initial yield criterion suitable for triaxial loading of foam metals is proposed. Based on the view of energy, considering the influence of different loads under multiaxial loading and the yield condition of uniaxial loading, the dimensionless plastic dissipation work of uniaxial compression yield state (0.2% plastic strain) is selected as the initial yield criterion. The criterion avoids the use of a single equivalent stress or hydrostatic pressure to define the yield state, and determines the initial yield point of multiaxial loading of foam metal more reasonably. (3) Triaxial numerical simulation experiments are carried out. The yield surface characteristics of multiaxial loaded foam metal are studied. Based on the asymmetry of tensile compression of yield surface, a biparameter (uniaxial compression and tensile yield strength) normalization method is proposed. It is found that the normalized yield surface is not affected by relative density. The effects of relative density, shape irregularity and cell wall thickness distribution on the yield surface and normalized yield surface of foam metal were studied quantitatively. (4) the failure surface characteristics of multiaxial loaded foam metal were studied. The failure criterion of peak stress is put forward and the failure surface characterized by stress is studied. The influence of relative density, shape irregularity and cell wall thickness distribution on the failure surface of foam metal is analyzed quantitatively. The effect of triaxiality of stress on the equivalent plastic strain during failure is preliminarily investigated.
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG146.21;TB383.4

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本文編號(hào)：2398301