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泡沫铝力学性能的有限元模拟

【摘要】:力学性能的研究是结构材料应用的基础,泡沫铝作为一种集多种优良性能于一身的新型结构材料,要实现在工业上的应用,就必须重视力学性能的研究。由于泡沫铝孔结构不均匀、可控性差、制备过程再现性差,从实验的角度研究力学性能其实际测量结果可重复性差,存在较多的随机性。本文利用有限元分析方法,将压缩性能和拉伸性能作为切入点,从微观力学结构模型和宏观数值仿真的角度研究了理想泡沫铝在准静态压缩和拉伸下的力学行为,总结模拟结果并进行验证分析。 首先在对发泡过程进行理想化假设的基础上建立简单立方、面心立方、体心立方的开闭孔单胞模型,运用几何学方法计算出孔隙率和胞体结构的定量关系。利用有限元软件DEFORM3D V6.1进行准静态条件下的压缩模拟,对比相同材质下开闭孔泡沫铝压缩曲线的差异,分析变形机理。结果显示,三种单胞模型的开闭孔结构的压缩应力-应变曲线都有线弹性、塑性平台和致密化三个变形阶段。面心立方模型开孔单胞结构预测的模量要优于简单立方和体心立方的,说明面心立方模型能更好的描述泡沫铝孔结构。 其次建立不同孔隙率的简单立方模型开孔泡沫铝,分别对相同材质不同孔隙率、同孔隙率不同材质的泡沫铝的压缩应力-应变曲线进行对比分析,结果表明,孔隙率对泡沫铝材料的压缩力学行为影响显著,随着孔隙率的增大,也就是相对密度减小,泡沫铝的弹性模量和屈服强度逐渐减小。基体金属的力学性质直接决定了泡沫材料的压缩变形行为和模式,并且泡沫材料的弹性模量、屈服强度和吸能性等均与基体金属材料的相应性能有关。纯铝基泡沫具有低的屈服强度,铝硅合金的屈服段明显高于纯铝的,说明铝硅合金泡沫铝的强度高、力学性能优越。 对基于简单立方的开孔泡沫铝准静态条件下的拉伸模拟结果表明,随着孔隙率的增大泡沫铝的抗拉强度减小,铝硅合金基泡沫铝的抗拉强度明显高于纯铝的,说明基体材料是影响泡沫铝拉伸行为的至关重要的因素。 有限元模拟都是建立在一定的假设基础之上,选用近似泡沫铝结构的有限元模型来代表真实泡沫铝,因此必然导致结果的偏差,怎样选择和建立更合理的模型应该是个值得关注的问题。

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