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多孔金属的动态力学响应及其温度相关性研究

王鹏飞  
【摘要】:多孔金属是一种结构型材料,在对其力学性能探讨的过程中,常存在实验数据离散性较大、结果规律性不明显以及概念相互混淆等问题。本文利用SHPB设备及其改进的装置从实验方面以及数值手段探讨了多孔金属在不同环境温度下应变率效应及其相关影响因素,并对由轴向惯性效应引起的应力不均匀进行详细的探讨。 通过实验分析了泡沫材料的密度分散性对实验结果的影响,指出当试件的密度分布符合正态分布时,近似密度下的实验曲线具有较好的重合性。采用大尺寸((?)37mm)的石英晶体片技术,探讨了低阻抗大孔径的多孔材料在SHPB实验中的应力均匀性。结果表明,随着厚度的增加,试件的应力不均匀度增大,波动效应的影响越明显。 利用ABAQUS有限元软件,对两种典型结构的应变率效应进行探讨,总结出:无论是Type Ⅰ(圆环)结构还是Type Ⅱ(折板)结构,只要存在结构的失稳屈曲,就一定具有应变率效应。轻质泡沫铝的动静态实验结果表明,其在压缩的过程中呈现“应力降”的现象,对于这种大孔径的泡沫材料,“应力降”的现象是胞孔层坍塌失稳造成,而坍塌失稳必然是率敏感的。 实验得出了泡沫铝在动态和静态加载下随着温度的变化趋势,结果指出随着温度的升高,泡沫铝具有明显的软化效应,材料的力学特性由硬变软,由脆变韧。随着温度的升高,泡沫铝的应变率敏感度也逐渐增大。在低温段(-50℃~200℃),基体材料变形特性更接近于固体,应变率效应随温度的变化并不显著,而在较高的温度段,基体材料变形特性更接近流体,应变率效应更明显。 同时,设计了一种基于SHPB装置的可视化高温炉,通过高速摄影观测了泡沫铝在高温高应变率下的变形特性。孔结构在低温下存在较多的屈曲失稳、撕裂等变形方式,而在高温下的变形方式以孔壁的塑性弯曲为主。 对Hopkinson杆实验装置进行改造,采用两次撞击实验测得泡沫铝在撞击过程中冲击端与支撑端的应力-时间曲线,并利用高速摄影观察试件在不同撞击速度下的变形过程。在低速撞击下,两端应力大小相近,主要以胞孔随机坍塌与剪切坍塌变形为主,对应准静态模式。在高速撞击下,试件从冲击端开始变形,以压实波的速度向支撑端传播,此时冲击端应力明显大于支撑端的应力,对应冲击模式,随着撞击速度的增加,试件两端的应力均匀性越差。实验指出,在冲击模式下,试件两端应力-时间曲线与试件的厚度大小无关,但是与试件的密度有关,随着密度的增加,在同一撞击速度下,两端的应力越接近。 另对设计的单次撞击Hopkinson实验方案进行初步探讨,成功检测出高温高速(≤26m/s)下试件冲击端与支撑端的应力。实验结果指出在同一撞击速度下,环境温度越高,试件两端的应力均匀性越差,并通过SHPB数值模拟证实了高温下应力均匀性差的现象,增加温度与提高撞击速度对应力不均匀性具有类似的影响效果。


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