低应变率荷载作用下梯度泡沫铝力学性能研究

泡沫铝在工作状态下受到偶然低速荷载冲击作用会降低其吸能特性。本工作研究了匀质和梯度泡沫铝的准静态力学性能,测试了不同应变率(4×10^(-4)s^(-1)、3×10^(-3)s^(-1)、1×10^(-2)s^(-1))下梯度泡沫铝的压缩性能变化规律,同时采用X射线计算机断层扫描(X-CT)测定其压缩变形失效模式,探明了应变率及相对密度对梯度泡沫铝压缩吸能的影响规律。实验结果表明:在低速荷载作用下,匀质泡沫铝沿壁厚最薄弱区域开始变形,直至破坏;梯度泡沫铝则逐层压溃,直至失效破坏。相同应变率条件下,泡沫铝的强化倾向能力随相对密度提高而逐渐增强,梯度和匀质泡沫铝的应变率敏感系数分别最高可达0.235和0.210。泡沫铝初始压溃应力、平台应力随应变率提高而增大,梯度(MMH型)和匀质(H型)泡沫铝的初始压溃应力、平台应力分别最高可达10.02 MPa、10.7 MPa和12.89 MPa、10.19 MPa。相比匀质泡沫铝,梯度泡沫铝单位体积能量吸收值最多降低9%。本工作提出了以提高泡沫铝能量吸收效率为目标的最佳设计应力和能量吸收点的设计方法,可为泡沫铝夹芯结构防护面板的设计提供一定的参考。

多层泡沫铝夹芯板的抗爆性能

泡沫铝是一种具有优异吸能性能的多功能材料,多层泡沫铝和钢板组成的夹层具有良好的抗爆能力。为了研究不同密度泡沫铝排序对夹芯板抗爆能力的影响,选取相对密度分别为13%、16.7%、20.4%的三种泡沫铝组成九种不同结构的排列方式。利用LS-DYNA软件进行了爆炸过程的数值模拟,并且对部分结构进行了爆炸作用实验。结果表明,实验和数值模拟结果吻合较好。在爆炸载荷作用下,泡沫铝的变形可以分为三种模式,即弹性变形、塑性变形和胞壁断裂的致密变形;泡沫铝密度递减结构的底板横向挠度比泡沫铝密度递增结构小;并且在同样的爆炸载荷作用下,泡沫铝密度递减结构的透射波强度只有密度递增结构的31.6%;这表明泡沫铝按照密度递减的顺序排列能够提高整体结构的抗爆能力。

破片撞击下复合夹层板梯度泡沫铝夹芯吸能性能研究

为了掌握复合夹层板的梯度泡沫铝夹芯在受到高速弹片冲击时,梯度大小、方向对梯度泡沫铝芯层变形模式、吸能性能的影响,本文采用Abaqus建立梯度参数γ分别为-2.1,-1.5,0,1.5,2.1的二维Voronoi梯度泡沫铝有限元模型,梯度参数的设置考虑了梯度大小、方向的影响,冲击过程采用指数衰减速度冲击方法,研究冲击过程中不同模型的变形特征、动能以及内能的变化。研究结果表明,梯度泡沫铝靠近冲击端的上半部分贡献了应变的60%以上,该区域局部密度越大,梯度泡沫铝的能量吸收能力就越强。由于负梯度泡沫铝靠近冲击端区域密度最大,因而其吸收的内能高于均匀随机泡沫铝和正梯度泡沫铝,并且梯度大小|γ|越大,负梯度泡沫铝的吸能优势越明显。因此,将负梯度泡沫铝填充到船体夹层板中,可以提高船体夹层板的抗冲击性能。

梯度泡沫铝的各向异性压溃力学行为

功能梯度泡沫金属因其密度连续变化,在轴向受压时可提供稳定增长的反馈载荷。然而当前研究多局限于其纵向压缩力学响应,考虑到实际应用中可能出现的横向冲击,基于低速冲击实验,考察梯度泡沫铝轴向和横向压缩力学响应的异同,并采用数字图像相关技术和数值模拟方法研究其宏细观压溃机制。结果表明:(1)在力学性能上,相比于纵向压缩加载的梯度泡沫铝,横向压缩加载下具有更高的抗压强度,而平台应力、致密化应变和能量吸收效果低于纵向压缩;(2)在失效变形模式上,纵向压缩变形模式为变形带渐进式压缩,而横向压缩变形模式的变形带则随机出现在试样的各个位置;(3)横向压缩下梯度泡沫铝致密化应变和比吸能的减小是由高孔隙率区的胞孔利用率降低导致的;(4)构建的弹性-塑性硬化-刚性模型能够较准确地描述梯度泡沫铝的纵向压缩力学行为。研究结果可为梯度泡沫金属在爆炸冲击结构防护工程中的设计提供理论参考。

基于Voronoi模型的梯度孔隙率泡沫铝力学性能研究

通过孔径梯度的变化调整孔隙率梯度,得到多组整体孔隙率相同、但内部孔隙率梯度不同的胞状泡沫金属Voronoi模型。对具有均匀孔隙率的泡沫铝试件进行冲击试验和数值模拟,两种结果吻合良好,初步验证了采用Voronoi模型可以较为准确地模拟泡沫金属材料的力学行为。基于Voronoi模型对具有不同孔隙率梯度的泡沫铝的压缩过程进行数值模拟,研究孔隙率梯度、梯度方向、围压作用等因素对泡沫铝力学性能的影响。结果表明:在不同荷载情况下,梯度的存在使得泡沫铝的坪应力降低,同时在屈服平台阶段出现了明显的硬化现象;外力较大时,梯度泡沫铝有更好的承载能力和吸能能力。