基于微观角度的多孔缓冲材料的压缩分析【文献综述】

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1、毕业设计文献综述机械设计制造及其自动化基于微观角度的多孔缓冲材料的压缩分析摘要：对多孔材料力学性能的研究可以在宏观、细观、微观3个不同尺度层次下展开。宏观研究采用的是连续介质理论，讲多孔材料视为某种平均化后的等效的连续介质，不关心空隙结构的具体形态。由于多孔材料往往具有非线性弹性的特点，本构方程中需采用增量描述形式，而且多孔材料的弹性范围通常很小，这个范围，材料就会发生屈服、损伤或断裂。然而，宏观研究忽略了空隙结构的拓扑特性，因此无法解释多孔材料的变形和破坏，只能用于粗略的估算和大致的预测。关键词：多孔材料

2、微观结构有限元软件引言：多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成。典型的孔结构有：一种是由大量多边形孔在平面上聚集形成的二维结构，由于其形状类似于蜂房的六边形结构而被称为“蜂窝”材料；更为普遍的是由大量多面体形状的孔洞在空间聚集形成的三维结构，通常称之为“泡沫”材料。如果构成孔洞的固体只存在于孔洞的边界(即孔洞之间是相通的)，则称为开孔，如果孔洞表面也是实心的，即每个孔洞与周围孔洞完全隔开，则称为闭孔(本文只讨论闭孔)；而有些孔洞则是半开孔半闭孔的。由于多孔材

3、料具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等优点，其应用范围远远超过单一功能的材料，而在航空、航天、化工、建材、冶金、原子能、石化、机械、医药和环保等俱多领域具有广泛的应用前景。对多孔材料力学性能的研究可以在宏观、细观、微观3个不同尺度层次下展开。宏观研究采用的是连续介质理论，讲多孔材料视为某种平均化后的等效的连续介质，不关心空隙结构的具体形态。由于多孔材料往往具有非线性弹性的特点，本构方程中需采用增量描述形式，而且多孔材料的弹性范围通常很小，这个范围，材料就会发生屈服、损伤或断裂

4、。然而，宏观研究忽略了空隙结构的拓扑特性，因此无法解释多孔材料的变形和破坏，能用于粗略的估算和大致的预测。微观研究采用物理力学及物理化学的方法研究孔隙结构的形成过程，着重解决孔隙的形核结构和长大问题，为材料学研究人员所重视。但由于材料结构的复杂性，目前还很难将微观尺度上的物理量直接与宏观材料性能关联起来，尤其是二者之间的定量关系极难确定。介于宏微观之间的细观研究作为固体力学中振奋人心的新领域受到国际学术界及工程界的广泛注意，并得到了蓬勃发展。较早可追索到1963年，Gent和Thomas[1,2]提出用弹性

5、支柱网络模型和立方体结构模型来描述开孔泡沫材料的力学行为，给出了弹性模量的预测结果，并模拟了泡沫材料的压缩应力——应变关系。在低密度条件下，泡沫材料的弹性模量与相对密度成正比。随后在他们工作的基础上,Matonis[3]提出了立方板结构模型来模拟闭孔泡沫塑料的力学行为。在Gent和Thomas弹性支柱模型基础上，Lederman（1971年）进一步考虑了泡沫材料额外的胞体结构参数和胞体结构的取向对拉伸弹性模量的影响，导出了包括大应变效应的开孔泡沫材料的应力应变关系模型。为了改进前人简单模型的预测结果，Cha

6、n和Nakamura（1969年）用五边十二面体模拟低密度泡沫材料的力学行为，确定了泡沫材料模量和屈服应力对结构参数的依赖关系[4]。后来，Menges和Knipschild（1975年）又基于五边十二面体模型，得到了预测硬质聚氨酯泡沫塑料拉伸、压缩、剪切强度和弹性模量等力学性能参数的经验公式。五边十二面体模型虽然与真实泡沫的微结构比较相近，但它们却无法填满整个空间，因而，该模型只能作为一种近似模型使用。且五边十二面体模型的分析结果相对比较复杂，难于在工程上直接使用。所以Gibson和Adhby（1982年

7、）提出关于各向同性开孔泡沫材料的分析模型将这种多孔体抽象的表征为具有立方结构的孔隙单元的集合体，这些孔隙单元是由12根相同的孔隙棱柱（孔棱、孔筋）构成的立方格子，其中每根孔楞均有在其中点并相垂直的棱柱（连接棱、连接筋）相连接。这些立方构架的孔隙单元通过这种连接棱相互连接在一起，就构成了开孔泡沫体的整体。通过立方体交错模型引入弯曲变形的机制，并利用量纲分析的方法研究了三维泡沫材料的力学性能与胞体几何结构、胞体壁性能之间的关系。依据实验结果得到了开孔泡沫材料力学性能的简单预测公式，杨氏模量E*与相对密度（其中R

8、，为泡沫密度，为基体密度）间的简单关系为：。Gibson和Adhby的模型虽然简单实用，但该模型与泡沫材料的真实结构相差甚远，并且在力学方面不够严格。在此之后，Warren和Kraynik（1988年）根据四面体支柱结构模型研究了三维开孔泡沫材料的弹性性能。得到支柱截面形状分别为圆截面、三角形截面和Plateau截面的泡沫材料弹性模量与相对密度的关系。在所有支柱等长度等截面的假设下，他们得到的泡沫材料杨氏模量与相