梯度多孔材料单轴压缩弹塑性变形的宏微观数值分析.pdf

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1、第31卷笫3期应用力学学报Vo1．31No．32014年6月CHINESEJoURNALoFAPPLIEDMECHANICSJun．2014文章编号：1000-4939(2014)03—0375—06梯度多孔材料单轴压缩弹塑性变形的宏微观数值分析陈方方，2徐志敏f1西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室710049西安；2西安科技大学建筑与土木工程学院710054西安)摘要：针对闭孔的密度梯度多孔材料，建立含球形孔洞的三维数值分析模型，研究其单轴压缩力学行为。首先，研究密度梯度对多孔材料宏观力学行为(如弹性模量和屈服强度)的影响

2、；其次，研究密度梯度与材料局部力学性能的关系，得到了沿梯度方向弹性模量和屈服强度的分布规律；最后，讨论梯度多孔材料单轴压缩变形局部化机制。结果表明：当梯度材料与均质材料的总体相对密度相同时，梯度材料的宏观弹性模量和屈服强度均低于均质材料水平，其宏观应力一应变关系曲线降低；梯度多孔材料沿梯度方向的力学性能发生急剧变化，等效弹性模量沿梯度方向呈线性分布，屈服强度呈非线性曲线分布，导致沿梯度方向应力、应变呈现高度的不均匀性；多孔材料的变形局部化产生于孔隙率较大的薄弱位置，再逐渐向孔隙率较小的位置发展。由此可知，孔隙率的梯度变化影响多孔材料的力学性能，通

3、过改变孔隙率的分布可实现材料预期的力学性质。关键词：密度梯度；多孔材料；力学行为；变形机制中图分类号：0342文献标识码：ADOI：10．11776／~am．31．03．B132目前，已有许多学者对均质多孔材料进行了大1引言量研究。文献[6．7]应用不同的模拟方法研究了多孔固体的力学特性。文献【8．9]研究了内压对多孔材料轻质多孔材料因具有比强度高、比刚度高、吸弹塑性力学特性的影响。也有一些学者对于梯度多能、吸声、隔热、降噪等优点，已被广泛用于汽车、孔材料进行了相关的理论、实验和数值研究[2,10-16】。高铁、航天、航空等众多领域【l】。功能梯

4、度材料是文献[10】提出一种解析方法来研究准静态平台应力上世纪八十年代出现的一种新型热防护材料，后来的梯度对梯度多胞杆结构在冲击荷载作用下动态力被推广到许多不同领域，其基本特点是材料组分呈学特性的影响。文献[11】从一个非均匀密度梯度板梯度变化，导致其力学性质也呈梯度变化【2】。梯度的不同位置取样分别进行压缩实验，研究了密度梯多孔材料兼具上述两类材料的特质，其孔隙率在某度对压缩特性和能量吸收特性的影响。文献[12]应方向上呈梯度变化。梯度多孔材料具有许多新奇的用由三个正十四面体胞元堆积而成的、具有不同梯力学、物理、热学、声学特性以及良好的可设计性

5、，度的泡沫模型探讨了开孔和闭孔功能梯度泡沫的减具有重要工程应用价值。重潜能。文献[13】基于微观力学分析，应用有限元基金项目：国家自然科学基金(11102145)．教育部新世纪优秀人才支持计划(NCE~13-0466)~陕西省科技计划(2013GY2-14)收稿日期：2013-l1．30修回日期：2014-04-09第一作者简介：陈方方，女，1980年生，西安科技大学，讲师；研究方向——多孔材料细观力学分析。E-mihlove-teaching~126．corn378应用力学学报第31卷区，导致整体屈服强度降低，如均质模型的最大孔孔隙率较大时孔壁

6、较薄，对孔径的变化较敏感，径为3．9mm，而梯度模型的最大孔径为4．8mm，所故由孑L径变化形成的密度梯度对的影响较大，以当梯度模型与均质模型的总体相对密度相同时，则分布曲线的斜率也较大，而随着孔隙率的逐通过改变孔结构大小而形成的梯度模型必然会形成大孔薄弱区，导致其宏观弹性模量和宏观屈服强度渐减小，分布曲线趋缓，斜率较小。由此可知，均低于均质模型水平，其宏观应力一应变关系曲线降孔隙率的变化使多孔材料沿梯度方向力学性能发生低，尤其是在屈服点位置附近。此结果表明，当发急剧变化。10生相同变形时梯度多孔材料的宏观应力水平较低，O9还可承受更大变形。由图

7、5还可以看出，梯度材料O8应力一应变曲线过渡更平滑，而最终塑性流动强度与07均质多孔材料相差不大。因此梯度多孔材料具有更l0．60．5好的缓冲性能，可应用于航天工程中的回收舱。0．43000．3250002040608lz／L200日(a)弹性模量(elasticmodulus)1501o05OO00．0050．0100．0l500200．025图5均质模型和梯度模型的宏观应力一应变关系曲线ID、Fig．5Theoverallstress—straincurvesofhomogenousmodelOO0OOOandgradedmodelz／己3．

8、Z梯度多孔材料力学性能沿梯度方向的变化规律(b)屈服应力(yieldingstress)}图6均质模型和梯度模型各层单胞弹性模量和梯度多