轻质结构和材料准静态力学

1、 泡沫填充波纹夹芯板的基本力学性能研究

      课题组在传统的泡沫和点阵轻质多孔结构的基础上,提出第三代新型复合多孔结构——泡沫点阵复合结构,尤其是针对泡沫填充波纹夹芯结构,通过实验、计算及理论手段充分研究了其压缩、剪切和弯曲等基本力学性能。发现泡沫填充波纹夹芯结构具有非常优异的压缩性能和能量吸收性能,在轻质材料领域具有非常广泛的应用前景。 

1.1    面外压缩性能研究

      通过实验、数值计算研究了泡沫填充波纹夹芯结构的面外压缩性能,充分发掘了泡沫铝填充对波纹夹芯板强度和能量吸收的影响,同时解释了其性能强化机理。泡沫填充使得波纹板的破坏模式更为丰富和复杂。泡沫填充波纹夹芯结构在压缩强度和能量吸收方面可以与方孔蜂窝相媲美。

图1 泡沫填充波纹夹芯板 制备工艺图

图2 泡沫铝填充金属波纹板: (a) 单胞示意图; (b) 胶结界面; (c) 空心波纹板试样; (d) 泡沫铝填充波纹板试样

图3 泡沫铝、空心波纹板及泡沫铝填充波纹板准静态压缩应力应变曲线

图4 不同应变下试样的变形破坏图: (a) 空心波纹板; (b) 泡沫铝填充波纹板; (c) 泡沫铝

图5 泡沫填充波纹夹心板中塑性铰的形成过程


图6 泡沫填充波纹结构在面外压缩下的破坏模式

图7 泡沫填充波纹结构的变形机理


图8 泡沫填充波纹夹心芯体面外压缩性能的比较: (a)面外压缩强度,(b)能量吸收能力

图9. 泡沫填充波纹夹心芯体面外压缩性能的比较: (a)面外压缩强度,(b)能量吸收能力

图10. 夹芯梁的弯曲破坏模式:(a)泡沫填充波纹夹芯梁,(b)空心波纹夹心梁

2、 金属泡沫基本力学性能研究


2.1 逆向构建三维闭孔泡沫铝有限元模型

      基于闭孔泡沫铝的显微CT断层扫描影像信息,使用逆向工程方法重新构建两种相对密度闭孔泡沫铝三维几何实体模型并生成六面体剖分单元(见图11),对闭孔泡沫铝三维细观有限元型模进行单轴压缩模拟计算,根据实验结果拟合出闭孔泡沫铝孔壁材料的本构参数。

11闭孔泡沫铝试件几何模型建模过程:(a)X线断层摄影孔壁三维点云模型,(b)通过布尔运算减去孔壁模型,(c)泡沫铝胞孔的三维云点模型,(d)分离每一个胞孔,(e)对每一个闭合胞孔进行铺面拟合,(f)填充每一个闭合胞孔几何实体,(g)通过布尔运算减去所有胞孔几何实体,(h)三维维细观几何模型,(i)使用六面体单元划分网格。

              

2.2 闭孔泡沫铝的三轴压缩行为及屈服面

       改变闭孔泡沫铝三维细观有限元模型的加载边界,实现了图1所示蓝色区域部分的应力状态下力学行为的数值模拟,其中,定义加载路径的比例系数 ,通过侧面耦合单轴压缩、静水压缩和等比压缩三种边界条件实现闭孔泡沫铝试件11个加载路径的大变形压缩过程,得到的比例系数范围为 ,可以为研究闭孔泡沫铝受压本构关系提供数据支持。

图12 闭孔泡沫铝的应力状态

图13 体积强化本构模型屈服面验证