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空心球/Al合金复合材料动态力学性能及损伤破坏特性研究

王少恒  
【摘要】:空心球/Al合金材料是一种具有低密度、较高屈服强度以及良好缓冲吸能效果的新型复合材料。在工程应用中,该类材料主要用于承受动态载荷。由于材料内部的空心结构以及空心球较高的破坏强度,因此该类材料在动态加载过程中能够吸收较多的能量,有效减少动态载荷带来的危害。因此对该类材料在动态载荷下的力学行为及材料破坏模式的研究具有非常重要的意义。 本文针对空心球/2024Al合金和空心球/6061Al合金两种复合材料进行了动态力学性能、缓冲吸能特性、复合材料内部空心球的损伤破碎特性等方面的研究,具体研究内容如下: 第一:利用实验室自制的PVDF压电计,对空心球/Al合金复合材料在动态压缩实验中的应力均匀性进行测试以保证实验结果的可靠性;利用分离式霍普金森压杆对空心球/2024Al合金复合材料和空心球/6061Al合金复合材料及其基体合金进行了不同应变率下的动态压缩实验,获取不同加载应变率下空心球/Al合金复合材料及其基体合金的应力应变关系。 第二:利用扫描电子显微镜对不同应变率压缩后的回收试样的断口形貌及复合材料内部空心球的破坏情况进行了观察,并对复合材料内部空心球的破坏模式和损伤演化规律进行分析,发现在动态压缩初期沿空心球经线方向产生裂纹,后期逐渐过渡到沿空心球赤道方向产生裂纹并最终崩塌。 第三:利用分离式霍普金森压杆对普通开孔泡沫铝材料进行动态压缩实验,比较了相同冲击速度下空心球/Al合金复合材料和泡沫铝材料的能量吸收能力和能量吸收率,发现空心球/Al合金复合材料具有良好的缓冲吸能效果;对由空心球/Al合金复合材料作缓冲层的复合结构的应力波传播特性进行了实验和数值模拟研究。 第四:利用ANSYS有限元软件建立了复合材料的单胞模型,并利用LS-DYNA显式有限元分析软件对单胞模型进行动态压缩下的数值模拟,利用数值模拟结果对动态压缩下空心球的损伤模式进行研究,数值模拟结果与扫描电镜结果吻合较好;利用单胞模型构建空心球/Al合金的近似结构模型并进行动态压缩数值模拟,结果发现复合材料内部单个空心球的损伤破坏特性与单胞模型的数值模拟结果基本一致。 综上,通过本文的研究获取了空心球/Al合金复合材料动态力学性能、缓冲吸能特性、复合材料变形规律及内部空心球的损伤演化特性,对空心球/Al合金复合材料的工程应用具有一定的参考价值。


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