多孔泡沫金属力学性能数值模拟研究现状

多孔泡沫金属力学性能数值仿真研究现状

张伟，梁冰

辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新 (123000)

E-mail：kevin_heavens@

摘要：多孔泡沫金属是一种内部含有许多空隙的新型材料.由于其具有非泡沫金属所没有的优异特性,因而多孔泡沫金属在一般工业领域特别是高技术领域受到越来越广泛的重视,也引起了国内外浓厚的研究兴趣.本文对国内外多孔泡沫金属力学性能数值仿真研究现状予以综合概述,同时对当前研究的关键问题进行了分析,并且就今后的研究工作发表了一些看法.以期为泡沫金属的进一步的研究、开发与应用提供理论基础

关键词：泡沫金属，建模，数值仿真，力学性能

中图分类号:TB301

1. 引言

多孔泡沫金属是一种新型功能材料.它以均匀细小孔径和高孔隙率为特征的,具有减振、阻尼、吸音、隔音、隔热、散热、电磁屏蔽等物理性能,是一种多功能兼用的功能材料.而从结构材料角度,它又具有密度小、轻质、高比强度的特点.在一般工业领域特别是高技术领域越来越受到广泛重视[1].

力学性能是多孔泡沫金属复合材料研究的主要方面之一.泡沫金属在加工过程中和在作为功能材料时都经常会受到一定的载荷作用,而上述主要作为结构材料的场合,更会处处受到各种型式的载荷作用.所以,力学性能的研究对其是非常重要和很有必要的.因此,人们在对泡沫金属进行广泛的功能性能研究的同时,也逐渐关注并越来越重视起其力学性能来,已投入了大量的工作.目前,对其力学性能的研究主要有三种方法:实验研究、细观结构力学模型研究、数值仿真研究.本文从数值仿真研究的角度对多孔泡沫金属力学性能数值仿真研究予以综合概述,以此反映这方面的研究趋势和新的进展,并提出了一些看法和建议,以利于下一步研究工作的深入开展.

2. 研究现状

目前对材料力学性能的数值仿真主要是有限元分析法.对于多孔泡沫金属复合材料而言, 由于其内部结构的复杂性以及计算机容量的限制, 通常不可能把整体结构作为对象进行分析, 而只能取其具有代表性的体积单元(RVE)——体胞为具体对象.国内的研究者为更确切建立体元所作的大量研究, 为用有限元法对三维编织复合材料力学性能进行数值仿真奠定了基础.

2.1 国内现状

当今用有限元方法对三维编织复合材料力学性能进行数值仿真的研究不多,我国则是近几年才有个别学者进行了该方面研究.如中国科学院固体物理研究所的程和法[2]用有限元模拟方法研究了不同孔径的胞孔混合对泡沫铝材料压缩力学性能的影响,并用ABAQUS有限元软件建立了二维理想多孔材料结构模型(正六边形蜂窝),并进行了有限元分析和讨论.认为均匀孔径的开孔泡沫铝材料,相对密度不变时,孔径大小对压缩力学性能几乎没有影响:而当孔径不均匀时,大小孔的相对体积比对压缩性能的影响则较大.特别是弹性模

量,控制相对体积比(以大孔中混入少量小孔为宜),可使泡沫铝材料的相对密度降低而弹性模量上升.李志彬[3]利用ANSYS 软件中的LS-DYNA 模块建立了如图1所示的泡沫铝的三维单胞模型, 研究了泡沫铝的相对密度、应变率和缺陷对开孔泡沫铝动态力学性能的影响,模拟计算结果表明,开孔泡沫铝材料具有明显的应变率效应,说明泡沫铝在高应变率下具有很好的吸能性能.

图1 泡沫模型单胞形状 图2 胞孔的单胞结构(L 为孔径,t 为壁厚) 赵明娟[4]利用现成的商业有限元软件Marc 进行了泡沫铝结构性能的计算机仿真模拟,通过数值模拟反映了泡沫铝的结构性能,评估和预测了一定孔隙率条件下泡沫铝的机械性能和能量吸收性能.胡孔刚[5]用ABAQUS 有限元软件模拟了由大、小孔径混合而成的孔结构对开孔泡沫铝刚度和强度的影响.数值模拟结果表明,当开孔泡沫铝的孔结构是由大孔和小孔按照一定的尺寸比和体积比所组成时,不仅可以使该泡沫铝的力学性能得到了提高.而且可以降低泡沫铝的密度.曹晓卿[6]利用LS-DYNA 商业软件建立了如图2所示的几何模型,并对开孔泡沫铝材料在SHPB 装置上的动态压缩行为及胞孔变形进行了数值模拟.讨论分析了胞孔尺寸变化对开孔泡沫铝合金动力学性能的影响.认为胞孔尺寸对开孔泡沫铝材料的能量吸收效率及单位体积吸收的能量的影响没有对杨氏模量和压缩强度的影响大.各种胞孔尺寸的开孔泡沫铝材料的单位体积吸收的能量均比能量吸收效率的最大值对应变率的变化敏感.蒲怀强[7]采用了ANSYS/LS-DYNA 商业软件对泡沫铝结构的整体静、动态响应及泡沫铝结构在准静态、动态载荷作用下的大变形弹塑性行为做了数值模拟计算.贾学军[8]利用ANSYS 平台和二次开发工具,建立了如图3所示的Kelvin 十四面体的开孔泡沫材料的有限元计算模型,预测出不同

相对密度下规则多面体结构的等效弹性系数H E 1111,H E 1122,H E 1212和等效泊松比H 12µ.的出结

论:Kelvin 结构的刚度质量比随着相对密度增大而增大,剪切刚度质量比在相对密度3%左右出现极小值点.在同一相对密度下,闭孔结构的等效模量要大于开孔结构的等效模量;在低密度时开孔结构的泊松比H

12µ变化较大.

图3 开孔泡沫十四面体模型图4 泡沫材料的细观力学模型

李战莉[9]利用工程软件MSC.Patran,从细观力学的角度建立了如图4所示的泡沫材料的力学模型(即代表性体积单元),并通过对细观代表性体积单元的有限元应力分析,得到泡沫材料的宏观等效弹性模量.有限元计算的结果显示泡沫材料宏观拉压等效弹性模量的比值在2. 0-3.0之间,从而验证了泡沫材料是拉压双模量材料.廖明顺[10]通过MARC数值模拟软件,对真实多孔材料的有限元模型进行初步的压缩过程模拟,分析研究了相对密度对蜂窝材料压缩变形机制、屈服强度、平台应变以及能量吸收特性的影响.以及不同缺陷及缺陷数量对蜂窝材料压缩变形机制、屈服强度、平台应变以及能量吸收特性的影响.石上路[11]和卢子兴[12]利用十四面体模型描述开孔泡沫材料的胞体结构,并用有限元方法确定了开孔泡沫材料的弹性模量.张俊彦[13]用ANSYS软件研究了胞壁弯曲和胞壁缺省两种缺陷对多孔材料力学性能的影响,模拟结果表明胞壁缺陷会极大地降低材料的力学性能;缺陷的存在,将改变其周边胞壁的受力状态,若缺陷分布不均时,会导致试件变形形式发生改变.

2.2 国外现状

九十年代末期国外有学者开始探讨过多孔金属材料的数值模拟工作[14-23],Shulmeister[24]对低密度弹性开孔泡沫材料的大变形进行了数值研究;Papka[25]用有限元法研究了蜂窝的冲击与损伤;Noor[26]对三点弯曲的板和壳的计算模型作了有益的探讨.Jaeung Chung等[27]用有限元对聚碳酸酯蜂窝材料在面内受单轴压缩的本构关系进行了数值模拟,与实验结果吻合较好.Chen等人的研究还发现,理想六边形蜂窝面内弹性性能是各向同性的,塑性性能也近似各向同性[28],他们的研究还发现对于相对密度低于0.3的情况,每个胞壁用一个ABAQUS梁单元即足可准确地预测金属蜂窝材料的力学响应,并且材料参数选用典型铝合金材料数据,材料属性采用了理想弹-塑性本构方程刻画.但他们采取了各个胞壁材料均完全相同的假设,没有考虑微结构造成的性质不均匀性.Kyriakides[29]借助分析与母体结构相似的结构特征单元以研究在相同载荷下的蜂窝材料变形和失稳力学现象.Chen等[28,30]用有限元方法重点研究了蜂窝材料在有随机分布微裂纹的情况下,大尺寸刚性夹杂和因胞壁缺失形成的大尺寸孔洞对规则六边形蜂窝材料的弹性模量和屈服强度的影响.Guo和Gibson[31]用有限元方法分析了胞元缺失对蜂窝结构的弹性模量、弹性屈曲、塑性屈服等的影响,两个缺失胞壁的分散距离对塑性屈服强度的影响比较小,当距离大于10倍胞元尺寸时,相互作用几乎消失.Huang和Gibson[32]用有限元方法分析了中心短裂纹脆性金属蜂窝的断裂韧性,Andrews和Gibson[33]用有限元方法分析了缺陷尺寸和胞元尺寸对6101-T6铝蜂窝含圆孔、中心裂纹、缺口裂纹试件的影响.在