多孔金屬材料應力-力增強現(xiàn)象的研究.pdf

1、多孔金屬材料由于具有高比剛度、高比強度、強的吸收能量的能力、高的滲透性以及高的熱傳導性等優(yōu)點使其在航空航天、汽車工業(yè)、建筑行業(yè)、包裝材料、艦船以及防護工程等領域大量使用。為此，其靜態(tài)和動態(tài)力學性能被廣泛研究，特別是在動態(tài)變形過程中所表現(xiàn)的應變率效應機理等方面的研究取得了大量成果。然而，人們忽略了可能在沖擊波傳播過程中固體相中的應力/應力增強效應。目前，觀察到的應力/力增強效應現(xiàn)象主要包括兩個方面：1)應力/力增強是指沖擊速度/載荷作用下

2、臨界坍塌應力和平臺應力隨著沖擊速度/載荷的增加而增加，這一現(xiàn)象實際上是速度效應。2)當多孔金屬材料作為防護性材料來減輕被保護物體傷害時，被保護物體受到?jīng)_擊作用比施加沖擊/撞擊作用還大，即輸出端的應力/力比加載端的應力/力增大，產(chǎn)生了應力/力增強。這種應力增強對于被保護物體會造成更嚴重的傷害，這與人們利用多孔金屬材料用作防護層以減緩對被保護物體的傷害正好相反。因此，需要詳細研究產(chǎn)生應力/力增強現(xiàn)象的機理，以防止對被保護物體造成的傷害。

3、r>　　 本文采用改進的霍普金森桿實驗裝置，在兩種實驗狀態(tài)，即子彈撞擊試件與輸出桿和子彈與試件一起撞擊輸出桿的不同情況下對閉孔鋁泡沫材料、開孔鋁泡沫材料以及六邊形鋁蜂窩等三種多孔固體材料進行了大量的應力增強實驗研究。其次，利用現(xiàn)有的一維應力波傳播理論，采用理想剛塑性-密實化材料模型和彈性-理想剛塑性-密實化材料模型推導了兩種實驗狀況下沖擊波波陣面后方的動態(tài)應力的計算公式，同時給出沖擊波波陣面存在的條件。第三，采用前處理程序FEMB.V

4、29(ETA.Com，美國)建立了與兩種實驗狀態(tài)一致的有限元模型，利用顯式結(jié)構非線性動力響應分析程序LS-DYNA3D.970在HP-J6750工作站上進行多孔固體應力增強的數(shù)值模擬分析，并且把實驗結(jié)果、理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果進行了對比分析，同時對多孔金屬材料的相關參數(shù)進行研究。鑒于上述數(shù)值模擬采用連續(xù)介質(zhì)可壓縮泡沫材料模型并不能反映多孔金屬泡沫中胞孔隨機分布性質(zhì)、胞孔壁厚隨機不均勻性以及孔壁隨機缺失等因素影響，本文建立二維Vorono

5、i隨機模型研究上述因素對應力增強的影響。
　　 對上述各種情況的研究，取得如下的結(jié)論：
　　 對于某一給定相對密度和一定孔徑的閉孔鋁泡沫材料，當撞擊速度大于等于某一臨界速度時，就會在鋁泡沫材料中形成沖擊波波陣面，從而出現(xiàn)波陣面后方的動態(tài)應力大于波陣面前方的靜態(tài)應力，出現(xiàn)應力增強。
　　 通過對多孔金屬泡沫材料的理論研究和數(shù)值模擬的分析，可知當子彈的質(zhì)量與泡沫試件的質(zhì)量比大于某一數(shù)值時，可以忽略子彈質(zhì)量對應力增強的

6、影響。
　　 由于開孔鋁泡沫材料應力應變曲線具有遞增硬化材料的特征，對于塑性波來說高幅值塑性擾動的波速大于低幅值塑性擾動的波速，在傳播過程中發(fā)生應力、應變和質(zhì)點速度的突躍也即形成沖擊波。從而使開孔鋁泡沫中出現(xiàn)輸出端應力大于加載端應力的另一種應力增強現(xiàn)象。這種應力增強會造成被保護物體更嚴重的傷害。
　　 對于開孔鋁泡沫材料，在相同撞擊速度下改變不同試件厚度，出現(xiàn)上述應力增強的時間隨著試件厚度的增加而推遲。但是改變試件厚度，

7、并不會改變出現(xiàn)應力增強的速度。對于開孔鋁泡沫材料，實驗研究、理論分析和數(shù)值模擬的過程中發(fā)現(xiàn)：開孔鋁泡沫材料與閉孔鋁泡沫材料一樣，隨著撞擊速度的增加，波陣面后方的動態(tài)應力也在增加。
　　 對于六邊形鋁蜂窩材料的研究發(fā)現(xiàn)：當撞擊速度大于某一臨界速度時，鋁蜂窩材料中也會產(chǎn)生應力增強。鋁蜂窩材料應力增強與撞擊速度、鋁蜂窩壁厚厚度等因素有關。
　　 采用二維Voronoi隨機模型研究了“真實”多孔金屬材料在脈沖載荷作用下的應力增強

8、現(xiàn)象。分析了孔形狀隨機不規(guī)則度κ1，孔壁厚度隨機不均勻度κ2以及隨機孔壁不完整性對出現(xiàn)應力增強現(xiàn)象以及對其峰值應力的影響。結(jié)果表明，存在一臨界載荷，當載荷超過這一臨界載荷時，就會出現(xiàn)應力/力增強現(xiàn)象。應力增強與脈沖載荷的大小、孔形狀不規(guī)則度、孔壁厚度的均勻程度以及刪除孔壁百分比等因素密切相關。研究還發(fā)現(xiàn)，隨著脈沖載荷強度的增加，應力增強現(xiàn)象提前出現(xiàn)，甚至出現(xiàn)二次應力增強現(xiàn)象。
　　 利用二維Voronoi隨機模型進行數(shù)值模擬分析