闭孔泡沫铝胞壁材料参数反求及压剪力学性能研究

摘要

闭孔泡沫铝作为一种多功能材料，具有高比强度、高比刚度，吸收能量能力强等优点，被广泛应用于军事、航空航天、高铁、船舶、汽车等领域。它作为汽车关键部件的填充材料，具有良好的安全防护特性和优异的轻量化效果，受到了科研人员的重视。为了更好地分析闭孔泡沫铝的力学性能和变形机理，本文围绕闭孔泡沫铝的三维模型建立方法、胞壁材料力学性能参数的反求、以及单轴压缩和压剪工况下的数值仿真分析展开了一系列研究工作：　　(1)基于Micro-CT扫描技术获取了一系列的二维图像，并使用逆向工程软件将二维图像重构为三维点云文件再进行一系列操作得到三维几何模型，解决了以往闭孔泡沫铝模型无法重现其真实几何构型的难题。对闭孔泡沫铝进行了维氏纳米压痕实验，获取了压痕载荷-深度曲线和压痕残余形貌信息，基于这些信息建立目标函数，通过遗传算法使目标函数最小化的方法反求出了胞壁材料参数。并且，通过真实的三维细观模型和反求出的胞壁材料参数建立有限元模型仿真，与相应试验结果进行对比分析来验证识别材料参数的准确性。　　(2)开展了准静态单轴压缩工况下的有限元分析，研究发现：闭孔泡沫铝的单轴压缩力学响应曲线主要分为弹性阶段、平台阶段和密实化阶段。闭孔泡沫铝的变形模式主要包括塑性铰、弯曲、屈曲、撕裂和断折。压溃带的产生与发展和相对较弱区域密切相关，胞孔变形主要与胞壁厚度有关，受胞孔形状和大小影响较小。此外，研究发现，力学响应曲线和变形模式之间交互影响，联系密切，研究也从结构变形的角度对曲线的变化给出了解释。开展了不同应变率下的单轴压缩有限元分析，结果表示：应变率敏感性对闭孔泡沫铝的力学曲线和变形模式都存在影响；泡沫铝胞壁材料应变率敏感性是失效强度随着应变率硬化的主要影响因素。　　(3)开展了准静态不同角度压剪工况下的有限元分析，研究发现：随着压剪角度的增加，初始失效载荷和平台载荷均发生了明显的下降。这表明压剪角度越大，闭孔泡沫铝的承载能力越差。在宏观变形模式方面，压溃带的产生依然位于相对较弱区域，但会随着压剪角度的增大而逐渐变化为两条压溃带，整体变形也由压扁逐渐变为压扁的同时出现滑移和错位。在胞孔变形模式方面，压剪角度的不同主要引起了胞孔的整体形状变化和断裂位置的不同。

目录

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目 录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 闭孔泡沫铝的性能特点与制备工艺

1.3 闭孔泡沫铝的研究现状

1.3.1 闭孔泡沫铝胞壁材料参数识别方法研究现状

1.3.2 闭孔泡沫铝模型研究现状

1.3.3 闭孔泡沫铝应变率效应研究现状

1.3.4 闭孔泡沫铝压缩-剪切复合工况力学性能研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 闭孔泡沫铝三维细观建模及胞壁材料参数反求

2.1 引言

2.2 基于 Micro-CT 扫描技术的三维细观建模

2.3 纳米压痕试验方法

2.3.1 压痕试验试件制备

2.3.2 维氏纳米压痕试验

2.4 基于压痕试验的材料识别方法

2.4.1 纳米压痕试验有限元模型的建立

2.4.2 泡沫材料本构模型

2.4.3 材料识别方法

2.5 泡沫试样的胞壁材料参数的识别

2.6 识别材料参数验证

2.6.1 有限元模型

2.6.2 单轴压缩的试验与仿真对比

2.7 识别结果与胞壁原材料对比

2.8 本章小结

第3章 闭孔泡沫铝准静态及应变率下单轴压缩数值分析

3.1 引言

3.2 闭孔泡沫铝的单轴压缩力学性能及变形机制表征

3.2.1 典型的力学响应曲线

3.2.2 典型的变形模式

3.3 闭孔泡沫铝的准静态单轴压缩有限元分析

3.3.1 有限元模型的建立

3.3.2 准静态单轴压缩下的力学响应曲线

3.3.3 准静态单轴压缩下的宏观变形模式

3.3.4 准静态单轴压缩下的胞孔变形模式

3.3.5 准静态单轴压缩下的力学响应曲线与变形模式的联系

3.4 闭孔泡沫铝的应变率效应有限元分析

3.4.1 有限元模型的建立

3.4.2 不同应变率下的力学响应曲线

3.4.3 不同应变率下的变形模式

3.4.4 应变率效应对失效强度的影响

3.5 本章小结

第4章 闭孔泡沫铝压缩-剪切复合工况数值分析

4.1 引言

4.2 闭孔泡沫铝准静态压剪工况力学性能表征

4.2.1 闭孔泡沫铝压剪工况下的受力状态

4.2.2 闭孔泡沫铝压剪工况下的力学参数

4.3 闭孔泡沫铝准静态压剪工况有限元分析

4.3.1 有限元模型的建立

4.3.2 准静态压剪工况下的力学响应曲线

4.3.3 准静态压剪工况下的宏观变形模式

4.3.4 准静态压剪工况下的胞孔变形模式

4.4 本章小结

总结与展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

致 谢