冲击载荷作用下泡沫金属动态响应理论及数值模拟分析

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泡沫金属是一种由金属骨架、较大孔径及高孔隙率组成的新型结构功能材料,因具有轻质、吸能、减振、隔音、隔热和电磁屏蔽等优越的性能,使得其在汽车工业、航天航空、铁路运输和建筑工业等领域得到了广泛的应用。在其中的一些应用领域中,泡沫金属经常会受到冲击载荷的作用,如填充泡沫铝的汽车保险杠、采用泡沫金属材料进行吸能防护的航天器以及包装工程等。因此,研究其冲击力学性能,为其材料制备设计和工程应用提供参考,具有重要的科学研究意义和工程应用价值。本文以开孔泡沫铝为研究对象,通过开展泡沫铝的准静态和动态压缩力学实验,得到了泡沫金属理想的R-P-P-L模型,结合一维应力冲击波理论,分别建立泡沫金属撞击自由块和刚性墙的理论模型和有限元数值计算模型,分析了泡沫金属在冲击载荷作用下的动态响应和变形机理。具体如下:1、利用Servo-Hydraulic材料万能实验机和分离式霍普金森压杆装置分别对开孔泡沫铝进行了准静态和动态压缩实验,结果表明开孔泡沫铝的准静态和动态压缩应力应变曲线都具有三个阶段,即弹性阶段、屈服阶段和致密化阶段。其屈服应力和平台应力随着应变率的增大而增大,而致密化应变随着应变率的增大而减小,表现出明显的应变率敏感性。2、根据实验得到的泡沫铝的应力应变曲线,建立了泡沫金属材料本构的理想R-P-P-L模型,结合一维应力波理论,建立了泡沫金属撞击自由块的理论模型,同时开展了有限元数值模拟计算,验证了理论模型的正确性。结果表明,泡沫金属与自由块接触面的初始应力大小与它们的质量无关,与撞击速度呈二次关系,泡沫金属最终未变形的长度随着撞击速度的增大呈指数下降。3、建立了泡沫金属撞击刚性墙的理论模型,并开展了有限元数值模拟计算。分析了材料参数对泡沫金属完全密实所需的临界速度和时间的影响。比较理论分析值与数值模拟的结果,两者基本保持一致。
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