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1、固体力学学报第30卷第4期Vol.30No.42009年8月CHINESEJOURNALOFSOLIDMECHANICSAugust2009*球形闭孔泡沫金属材料力学行为研究11**2尚艳军卢天健陈常青(1西安交通大学航天航空学院,强度与振动教育部重点实验室,西安,710049)(2清华大学工程力学系,北京,100084)摘要利用面心立方单元胞模型计算了球形闭孔泡沫金属材料的宏观弹塑性特性,建立了弹性参数和屈服强度与相对密度的关系,所得结果与球形(类球形)闭孔泡沫铝合金试验结果进行了比较,二者吻合较好.此外,利用所建立的单元胞模型计算了等比例多轴载荷下的应力应变曲线,针对现有的
2、泡沫金属材料弹塑性宏观唯象本构框架,得到了球形孔闭孔泡沫金属材料在不同特征应变下应力势函数曲面及其演化规律,确定了其宏观本构理论模型的材料参数.结果表明,该理论模型能较好模拟有限元数值计算结果.关键词球形闭孔泡沫材料,面心立方(FCC)单元胞模型,有限元分析,比例加载,势函数析,得到了弹性常数与相对密度的关系.Demiry[13]0引言等采用十四面体模型对开孔泡沫材料的初始屈服面和屈服面的演化进行了分析,得出在复杂的加泡沫金属是近年来随着多样化的应用需求、材载历史下,不但屈服面的位置改变,而且屈服面的大料制备和成形加工技术的发展而出现的一类新型多小和形状也在改变.上述模型主要对低密度
3、泡沫材3[14]功能材料.它们具有超轻(<1g/cm)、高比刚度、料的力学性能的有很好的预测.卢子兴等利用自高强韧、高能量吸收、声、热、电磁屏蔽及其多功能兼洽模型理论预测了具有球形胞体结构的高密度泡沫容的特性,在工程上有广泛的应用前景,例如夹层板塑料的弹性模量和屈服强度,给出与试验一致的结[15]的芯部、各种汽车(高速列车、轮船、航天器)部件和果.袁本立等在对发泡过程进行理想化假设的基包装工业的吸能器.泡沫金属的宏观性能与基体材础上,根据泡沫材料微结构的特点,对基于简单立料和孔形貌密切相关,其中孔形貌微观结构对宏观方、面心立方、体心立方的开、闭孔泡沫材料的弹性[14]性能影响最大.性
4、能进行了有限元分析,得出面心立方模型具有更国内外对泡沫金属在准静态加载条件下的力学好的预测效果的结论.[3]性能已做了大量的研究工作.Gibson等用立方体通常,闭孔泡沫铝及其合金的孔形貌控制与孔单元胞模型分析了高孔隙率材料的宏观性能,得到径和孔隙率控制是相互影响的,在不同的孔径和孔了一系列半经验的无量纲关系式.此后,不少研究隙率下呈现不同的孔形貌特征,低孔隙率泡沫铝合[59]者分别建立了基于二维泡沫或蜂窝模型和三维金的孔形貌表现为球形或类球形孔,而高孔隙率泡十四面体单元胞的细观力学模型,研究了开孔泡沫沫铝合金的孔形貌表现为多边形孔.不同孔隙率、不[10]化材料的弹塑性变形行为.Che
5、n等利用Voronoi同孔形貌的闭孔泡沫金属呈现出不同的力学行为,[16]超级单元胞分析了二维泡沫材料的弹塑性特性,得因而具有不同的应用前景.相对而言,目前对高到了静水压强度和单轴强度相当的正确结论.Gan密度具有球形胞体结构的泡沫材料力学行为研究较[11]等建立了三维的超级单元胞,分析了三维开孔泡少.本文研究对象是高密度球形闭孔泡沫铝合金.[12]沫材料的弹性力学行为.张家雷等利用十四面体与以往孔结构为多边形的高孔隙率泡沫铝合金模型对闭孔泡沫材料的弹性性能进行了有限元分不同,文献[17]研制的新型球形孔低孔隙率泡沫铝*国家基础研究计划项目(2006CB601202),国家高技术研究发展
6、计划项目(2006AA03Z519),国家自然科学基金项目(10572111,10632060)和国家111引智计划项目(B06024)资助.20080511收到第1稿,20090625收到修改稿.**通讯作者.Tel:02982665600,Tax:02982665937,Email:tjlu@mail.xjtu.edu.cn.#326#固体力学学报2009年第30卷*合金具有更高强度和更高能量吸收,其压缩屈服强/s.由于面心立方单元胞中球孔的半径是相等度是前者的37倍,吸能能力是前者的3倍左右.尚的,闭孔球形孔泡沫材
7、料的相对密度和孔隙率分[18]金堂等研究了球形泡沫生长的实验规律,发现采别为:*33用面心立方堆积模型获得的理论结果与实验结果吻l-16r/3=3(1)合得较好.由于面心立方(FCC)模型能较好的描述sl*3球形孔泡沫铝合金在制造成形中的物理过程,本文P16rx=1-=3(2)s3l将其作为研究闭孔球形孔泡沫材料的细观模型.在1.2边界条件此基础上,利用有限元来分析研究其弹塑性力学行在细观力学计算中,选取合适边界条件
