Kelvin结构开孔泡沫材料的弹性性能研究

采用一修正的十四面体结构模型(Kelvin结构模型)对开孔泡沫金属的弹性性能进行研究,对低密度开孔泡沫材料表现出不可压的特性进行了分析。该模型考虑作用在泡沫筋条上的弯矩、剪力和轴向力,以及轴向力的平衡。修正模型的数值计算结果与实验结果及其他模型的结果进行了对比,结果表明修正模型计算的杨氏模量比原有模型的略有提高,筋条截面为星形的修正模型计算的结果与实验比较符合。在密度等同的条件下,筋条截面惯性矩越大的开孔泡沫材料,其弹性模量也越大,而泊松比则越小。Kelvin结构的开孔泡沫材料的泊松比随相对密度的减小而趋于0.5。

基于TPU材料的Kelvin结构缓冲性能研究

目的探究TPU材料Kelvin结构缓冲性能,为包装缓冲减振提供新方案。方法设计不同尺寸规格的Kelvin结构及正六边形结构,利用3D打印完成实体成型,开展力学压缩试验,进行对比分析。结果TPU材料Kelvin结构具备较优良的压缩回弹率;随着相对密度、尺寸等级的不断增加,其最大应力相应增加;中等尺寸规格情况下,其力学性能最优;在吸收相同能量的情况下,TPU材料的Kelvin结构的应力小于正六边形结构。结论TPU材料的Kelvin结构具备较优良的力学性能,有一定的工程适应性。

Kelvin结构多孔材料弹性模量分析

Kelvin模型是由六个正四边形和八个正六边形组成的十四面体结构，可与在金属中观察到的晶粒和在一些生物组织中观察到的细胞形状相媲美。本文根据线弹性均匀化理论，结合有限元方法给出了三维周期性Kelvin结构的均匀化有限元列式。并利用ANSYS平台和二次开发工具，建立了Kelvin结构实体表示和有限元计算模型，预测出不同相对密度下规则闭孔Kelvin结构的等效弹性系数E1111^H,E1122^H，E1212^H和等效泊松比μ12^H。计算结果表明，Kelvin结构的刚度一质量比随着相对密度增大而增大，剪切刚度一质量比在相对密度3％左右出现极小值点。

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。

金属海绵阻力特性数值计算

采用体心立方结构和Kelvin结构重建金属海绵的胞体结构,分析比较了单相流和两相流下金属海绵内部阻力、不同切角时金属海绵内部阻力。结果表明:①体心立方结构能够达到的孔隙率e的范围为68.01%<e<98.01%;而Kelvin结构能够达到的孔隙率的范围为72.1%<e<98.7%;②油滴质量分数为9.1%、进口速度小于20 m/s时,两相流计算的压降比单相流计算的压降高约5%;③切向角为30°的Kelvin结构金属海绵与实际金属海绵的阻力特性一致性较高,能够较好地表征金属海绵的阻力特性。