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泡沫铝材料的制备与有限元模拟

魏鹏  
【摘要】: 泡沫铝材料是一种在铝或铝合金基体中均匀分布着大量孔洞的新型轻质多功能材料,它包括泡沫纯铝和各种泡沫铝合金材料。本论文在泡沫铝材料制备方面主要研究了粉末冶金与熔体发泡法两种工艺。 在粉末冶金法制备工艺中,首先研究了压制和烧结工艺对压坯发泡性的影响,然后研究了发泡温度、发泡时间、发泡剂含量对泡沫铝孔隙率和结构的影响,得到的最佳工艺为:铝粉与为2 wt%发泡剂混合均匀后,在350 MPa的压力下初压成型,随后在400℃烧结40 min,再在150 MPa压力下压制得到发泡预制品,最后,在720℃发泡12 min,得到孔结构较均匀,孔隙率80%的泡沫铝。 在熔体发泡法制备工艺中,研究了搅拌时间、发泡温度、发泡剂含量、铝粉的加入量对孔结构和孔隙率的影响。结果表明:选用铝硅合金(AlSi7Mg0.45)为基体材料,采用粒径74 ~150μm的铝粉增粘,在固定其它工艺为最佳条件下,仅通过改变铝粉含量实现了孔径大小控制。得出的最佳工艺为:铝粉含量5~15 wt%,增粘搅拌时间7 min,发泡温度650 0C,发泡剂1.5wt%,得到孔结构均匀,孔隙率为80~85%,孔径为2.0~8.5mm的泡沫铝硅合金。 通过对泡沫铝材料的发泡过程中气泡形核和长大动力学过程的分析,铝熔体中气泡的形核过程为非均相形核,得出了气泡形核的活性孔隙尺寸范围,同时推导出气泡生长过程中半径r与时间t的关系,及球形气孔理论上的最大半径。 依据熔体发泡法制备的不同孔径泡沫铝硅材料的实验结果,分析表明铝粉增粘后的铝合金熔体为非牛顿流体,其粘度可用Vand式进行表示,同时对理论推导所得的半径公式进行修正,使其成为适合铝粉增粘发泡法制备泡沫铝硅合金的孔径公式。泡沫铝硅合金的力学性能结果表明,泡沫铝硅合金的单向压缩形变经历三个区域,在各区内的应力-应变特征符合Ashby模型,即线性弹性区、平台区和致密化区。根据应力-应变曲线,计算了泡沫铝硅合金的吸能能力及吸能效率,结果表明:其吸能能力,取决于应力和应变,与密度之间呈非单调关系,在某一密度时,具有最大值。泡沫铝硅合金的吸能效率随应变的增加,达到最大值后开始下降。泡沫铝硅合金密度越低,平台区越长,在平台区变形范围内,能量吸收效率达80%以上。 建立了三种泡沫铝模型:模型1(不均匀结构)、模型2(均匀结构)、和模型3(大孔缺陷结构)。与常用的周期性六边形蜂窝模型相比,所建立的模型更符合实际泡沫铝材料的结构。利用ANSYS软件对建立的模型进行有限元分析,得出其弹性模量和密度呈指数关系。 根据泡沫铝硅合金的测试结果和弹性模量模拟结果,利用有限元ANSYS /LS-DYNA软件分别对空心圆管保险杠和不同密度泡沫铝硅合金填充的圆管保险杠进行了有限元模拟。结果表明:与传统的空心圆管保险杠相比,泡沫铝填充的圆管保险杠,不仅重量减轻了,而且所采用管的个数和相对体积也减少。其中,采用密度为0.56 g/cm3泡沫铝填充的圆管,重量减轻了34%,体积减少了57%,所需个数减少21根。


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