泡沫金属力学性能的跨尺度分析

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泡沫金属等多孔材料具有优异的力学性能,其特殊的细观结构特点对其跨尺度力学性能有重要影响。为了能更全面地阐释泡沫金属力学行为,本文采用梁链网模型作为泡沫金属的细观力学模型,并且结合应变梯度弹性理论的解析解给出泡沫金属宏观响应与细观参数的关系,最后研究了基体材料粘/超弹性和细观胞壁排布方式对材料力学响应的影响。具体研究内容包括:  (1)借助有限元软件ANSYS构建梁链网模型来等效泡沫金属的各种细观结构,如胞孔形状为正三角形、正方形和正六边形的周期性规则模型,胞孔形状不规则的Voronoi模型(二维)和以六方最密堆积为基础的三维模型。采用应变能等效原理对二维的周期性模型做了宏观材料参数的标定,建立了基于应变梯度弹性理论的广义连续体和基体金属材料弹性参数与胞元尺寸和排布方式之间的关系。  (2)泡沫金属的力学性能强烈依赖于内部结构。当构件特征尺寸与胞孔特征尺寸d处于相同数量级时,表现出明显的尺度效应。为了揭示这种尺度效应的力学机理,本文研究了泡沫金属试件的剪切、纯弯曲和单轴压缩试验。一方面,利用应变梯度弹性理论给出剪切和纯弯曲的解析解,其中包含了材料内禀尺寸lc这一关键模型参数。另一方面,选用正六边形梁链网模型模拟弯曲和剪切试验,选用三维梁链网模型模拟单轴压缩试验。发现材料内禀尺寸lc强烈相关于胞孔特征尺寸d,宏观力学响应随着样品特征尺寸与胞孔特征尺寸d的相对比值而改变。  分析结果表明:剪切和纯弯曲试验中都表现出显著的尺度效应,即材料力学性能明显相关于样品尺寸。当样品尺寸与胞孔尺寸之比越小,尺度依赖性越强烈。并且,边界层的约束条件对泡沫金属的力学响应有重要影响。弯曲问题中,只有对离散模型上下表面施加恰当的附加转角约束后,应变梯度理论解与链网模型数值解才能够吻合。这为理解应变梯度理论中的非传统边界条件提供了一个直观的实例。通过数据拟合,得到了内禀尺寸lc与胞孔特征尺寸d之间的关系,与文献结论相符。单轴压缩的模拟结果与实验结果比较后发现,泡沫金属材料的杨氏模量表现出明显的尺度依赖性,随着样品尺寸的减小而减小,但压缩强度与样品尺寸无关。  (3)研究了泡沫金属基体材料的粘弹性和超弹性对泡沫材料宏观力学响应的影响。另外,探讨了几种形式的非局部化链网,即相互作用不仅存在于最近邻节点之间,还存在于次近邻甚至次次近邻节点之间。该类链网模型本质上与近场动力学模型十分相似。链网模型的模拟结果表明,该材料具有比普通蜂窝材料更高的弹性模量和比刚度,且可以实现更多优异的复合性能。
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