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拉伸条件下泡沫金属的细观统计分析模型及统计特性研究

韩春光  
【摘要】:泡沫金属材料作为一种新型的工程材料,具有质轻、比强度和比刚度高、比表面积大、隔音、吸能性能优异、高效散热与隔热等多种优异的物理特性,已经广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。本文对开孔泡沫铝材料的拉伸性能进行了实验研究,重点研究了开孔泡沫金属材料细观结构与宏观力学性能之间的关系,深入分析了开孔泡沫金属材料变形的细观力学机制,探讨了材料非均匀性质和单元细观结构特征对材料宏观力学性能的影响,并在此基础上研究材料性能参数与本构关系,其结果及相关方法不仅能加深了解泡沫金属材料的细观破坏机理,而且还有助于促进细观力学的发展。本文的主要研究内容有: 基于开孔泡沫铝试件的准静态拉伸试验,分析了开孔泡沫铝材料的准静态拉伸力学性能,探讨了泡沫金属材料的初始非均匀特性,重点研究了初始相对密度对材料在准静态拉伸过程的破坏特征的影响,观察了材料拉伸破坏的非均匀特征。通过分析各阶段材料等效弹性模量与应变的实验曲线,提出一种较简洁的开孔泡沫铝准静态拉伸经验本构关系。 为了研究泡沫金属材料的非均匀特性对其拉伸力学性能的影响,本文建立了泡沫金属材料的一维拉伸等应变格子单元模型,假设格子单元的弹性模量、屈服应变与破坏应变等独立地满足Weibull分布,结合统计理论分析了单元处于不同拉伸状态下的概率大小,进而导出了准静态拉伸下开孔泡沫金属材料的多参数本构方程,可对材料拉伸破坏曲线进行合理的解释。 对Gibson-Ashby空心立方体模型进行推广,通过综合考虑单元横梁挠曲与立柱拉伸变形的作用,对开孔泡沫金属材料的立方体单元模型进行了变形机制的分析,定义了空心立方体单元模型的拉伸名义屈服应变,使材料单元具有弹性-理想塑性性质,并通过引入塑性铰长度概念,确定了单元的破坏模式,建立了开孔泡沫金属材料单元的拉伸破坏应变公式,使得该模型首次能用于描述泡沫金属的拉伸破坏。 通过假定Gibson-Ashby空心立方体单元模型的单元结构尺寸满足一定概率分布的方式,以表征材料的非均匀性质。进而推导了单元弹性模量、屈服应变和破坏应变的概率分布,运用细观损伤力学的方法成功地推导出适合中高孔隙率开孔泡沫金属材料在准静态拉伸条件下的本构关系。此本构关系能较好地模拟了材料从弹性到破坏的全过程。 对中高孔隙率的开孔泡沫金属材料参数的概率分布函数进行了分析,分析结果表明:只有在高孔隙率下,泡沫金属材料单元的弹性模量、屈服应变、破坏应变等才满足Weibull分布。对于中孔隙率泡沫金属,它们不严格满足Weibull分布,但它们均可以找到比较理想的等效Weibull分布,并首次揭示了这些Weibull分布不是独立的。 根据由细观统计模型导出的泡沫金属本构关系和单元参数的概率分布函数,推导了泡沫金属在拉伸过程中弹性单元、塑性单元和破坏单元的概率及其随泡沫金属拉伸应变的变化规律,该规律支持了我们创新性地提出用应力-应变曲线的极大曲率来定义材料宏观的屈服和破坏点的观点。


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