开孔泡沫材料随机化Kelvin微结构模型建立与应用

建立较准确的微观胞体结构模型是一项极其复杂但极具价值的一项工作。利用Python,对Abaqus进行二次开发,实现规则Kelvin单胞结构、规则Kelvin多胞结构和随机Kelvin多胞结构等开孔泡沫结构的参数化设计和自动化建模,并对建模思路、关键算法的设计与实现加以说明。以泡沫铝为例,分别对规则Kelvin结构和随机Kelvin结构的开孔泡沫铝在准静态压缩过程中的力学行为进行了对比分析研究。研究成果对随机Kelvin胞体结构的开孔泡沫材料的数值仿真研究具有一定的参考价值。

随机Kelvin胞体开孔泡沫结构模型边界条件及应用

利用Python和Abaqus解决了泡沫材料非垂直切割造成边界出现"浮动"边等问题,同时研究了自由边界、固定边界条件材料的准静态压缩特性,在此基础上提出并分析了周期边界,并对周期性边界设置中几种情况进行讨论和实现,同时,对此过程中相关思路、关键算法加以说明。最后,以开孔泡沫铝为例,对三种边界条件情况下随机Kelvin胞体开孔泡沫铝在准静态压缩过程中的力学行为进行了对比分析研究。研究成果对开孔泡沫材料的数值仿真研究具有一定的参考价值。

闭孔泡沫金属几种不同建模方法的对比性研究

为研究闭孔泡沫金属的单轴压缩性能,通过三种不同的建模方法,分别建立二维随机胞元、三维Kelvin和三维Voronoi泡沫金属细观模型。基于LS-DYNA软件分析三种不同建模方法表征下闭孔泡沫金属压缩力学性能的差异性,研究三种建模方法下泡沫金属的变形模式、应力应变响应变化规律。结果表明:二维随机模型更适合泡沫金属的压缩规律性研究,而三维模型则更适合泡沫金属压缩响应的预测与优化研究;二维随机胞元模型受其平面几何和网格的限制大多数情况下只能模拟孔隙率较低的闭孔泡沫金属,而Kelvin模型和Voronoi模型则能够较好地模拟孔隙率高的闭孔泡沫金属;相比于Kelvin模型和二维随机胞元模型,Voronoi模型内部结构更趋真实合理,能够更好地表征闭孔泡沫金属的压缩力学性能。

结构参数对开孔泡沫传热特性影响的数值分析

为了解随机Kelvin cell结构的孔隙率和孔泡密度对泡沫材料内流体压降、体积对流换热系数和面积优度因子的影响,采用计算流体力学方法对不同孔隙率和孔泡密度的随机Kelvin ceil结构金属铝泡沫材料的强制对流换热(FCHT)过程进行了数值模拟。结果表明:入口速度在5~20 m/s范围内,当入口速度一定时,流体压降及体积对流换热系数随孔隙率的减小而增大,随孔泡密度的增大而增大;面积优度因子随孔隙率的增大而增大,随孔泡密度的减小而减小;入口速度在5~20 m/s范围内,面积优度因子在不同孔泡密度下随入口速度的变化具有不同的变化趋势,入口速度提高时,孔泡密度为5PPI的随机Kelvin cell泡沫面积优度因子呈增大趋势,孔泡密度为10PPI时面积优度因子呈先增大后减小趋势,孔泡密度为20PPI时面积优度因子呈减小趋势;压降及体积对流换热系数随入口速度的提高分别呈指数型、对数型增长。