泡沫铝小变形压缩的有限元模拟分析

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1、23期苏华冰，等：基于统计孔径的泡沫铝小变形压缩的有限元模拟分析6993基于统计孔径的泡沫铝小变形压缩的有限元模拟分析苏华冰黄小清汤立群刘泽佳张红(华南理工大学土木与交通学院，广州510640)摘要对泡沫铝材料的细观结构进行了分析，以等效圆孔近似模拟泡沫铝材料的孔隙。利用C++程序模拟生成随机分布的孔隙，其孔径大小符合统计规律，并以此作为二维建模的基础。通过有限元软件ANSYS对泡沫铝材料进行二维的压缩模拟，分析了其在小变形条件下弹性模量、平台应力等力学性能，其结果与实验较为接近。关键词泡沫铝力学性能细观结构有限元分析中图法分类号TB301TP391．9；文献标志码A万方数

2、据23期苏华冰，等：基于统计孔径的泡沫铝小变形压缩的有限元模拟分析6993泡沫金属是一种较为理想的轻质结构材料，由于大量孔隙的存在，使其具有密度小，比表面大的结构特点。泡沫金属优越的性能表现在具有较高的比刚度和比强度，较高的抗震阻尼，良好的冲击能量吸收能力，电磁屏蔽性能好，消声耐热等特点，因此得到了广泛应用【12】。泡沫金属材料研究的一个重要课题是细观结构与性能的关系，很多研究者通过实验的方法对泡沫金属结构的细观与性能的关系进行了研究【3】。随着计算机技术的进步，计算机模拟技术也越来越多地应用到对泡沫材料的研究中。在许多情况下，用计算机模拟比实际实验效率更高，可重复性也更高

3、，甚至可以弥补实验的不足。计算机仿真模拟，结合实验数据，利用相关理论分析是泡沫金属研究的一个重要、有效的方法。泡沫铝材料是一种以铝为基质，存在着大量连通的或闭合的空洞结构的新型多功能材料。泡沫铝作为一种多孔金属材料，在制备过程中可控性差，孔洞的形状、大小、分布具有一定的随机性和不规则性，因此，对泡沫铝结构的描述大多为统计结果。本文通过一些基本的材料细观结构统计数据，如孔隙率、等效孔径大小，孔隙的分布情况等，利用有限元方法进行建模来分析泡沫铝的材料性能。1泡沫铝材料的细观结构泡沫铝材料的孔隙率以及其细观结构，如孔洞形状、大小、分布情况等可能会对泡沫铝的宏观性能产生重要影响。对

4、泡沫铝材料实体的观察发现，其细观形貌非常复杂。在二维建模中孔洞结构用圆孔来代替。由课题组前期的(文献[4])相关工作及原始数据进行分析可知，平均孔径为0．89mm，孔径大小范围为0．2mm一2．4mill之间，其中孔径为0．4mm到1．4mm之间的孔隙数量所占比例较大，约占总数的89％。随着孔径的增长，小于该孔径的孔隙面积之和占总孔隙面积的比率如图1所示。由图l可知，所测试件的孔隙面积所占比率在等效孔径为lmm到1．5mm的时候增长相对最快，说明等效孔径在1mm到1．5mm之间的孔隙面积较大，由具体数据可知，约占总孔隙的45％。孔径小于0．5mm和大于1．8mm的孔隙面积较

5、小。通过Origin7．5利用DoseResp函数对数据进行拟合(图2，蓝色光滑曲线为拟合曲线)，得到小于某孔径(单位：mm)的孔隙面积占总孔隙面积的比率f(x)为万方数据23期苏华冰，等：基于统计孔径的泡沫铝小变形压缩的有限元模拟分析69932.用c++模拟泡沫铝材料的孔洞分析建模过程中，为了生成与实际材料孔结构分布相近的泡沫铝模型，要求孔洞的位置随机分布、孔径的大小符合统计结果、各孔径的孔隙面积满足一定要求等。这里参照文献[4]原始数据巾的泡沫铝材料孔径数据，分8个孔径等级(2．0～2．4)mm，(1．6—2．0)mm，(1．2一1．6)mm，(1．0—1．2)mm，(

6、0．8～1．0)mm，(0．6—0．8)mm，(0．4～0．6)mm，(0．2～0．4)mm，设定每一个等级范围的圆孔面积率，由大孔径等级到小孔径等级顺序随机生成符合孔径等级孔隙要求的圆孔，在一定的区域内随机投放生成孔隙。孔径等级划分时，小孔径等级范围划分得较小，大孔径等级范围划分得较大。C++程序以ANSYS命令流的形式生成这些所需数据，再导人到ANSYS中进行模拟实验。生成第一个孔径等级的主要流程如图3所示，其它各孔径等级的孔隙数据用类似的流程生成。各孔径等级的孔隙面积占总孔隙面积的比率如表l所示。基于以上对泡沫铝细观孔隙结构的分析，通过C++程序生成各孔径等级随机分布

7、的孔隙，导出其孔隙坐标及半径，便可利用ANSYS进行建模，分析泡沫铝材料在平面应力下的力学特性。3有限元ANSYS的建模分析3．1建立模型这里所采用的是PLANE2单元，可以较好地适应不规则的模型网格，而且还具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形以及大应变的能力。对于泡沫铝基体材料，在定义其属性时，假定其符合双线性等向强化的线性强化弹塑性材料，如图所示万方数据23期苏华冰，等：基于统计孔径的泡沫铝小变形压缩的有限元模拟分析6993图4如建立一个对泡沫铝块进行压缩实验的二维模型。考虑到模型的尺寸效应，避免小尺寸带