泡沫金屬孔結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬畢業(yè)論文00816

1、太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書（由指導(dǎo)教師填寫發(fā)給學(xué)生）學(xué)院（直屬系）：材料科學(xué)與工程學(xué)院 時間：2009年 3月 25 日學(xué) 生 姓 名陸大興指 導(dǎo) 教 師王錄才設(shè)計（論文）題目泡沫金屬孔結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬主要研究內(nèi)容1.泡沫金屬孔結(jié)構(gòu)模型的建立；2.泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬和驗證。研究方法1.查閱有關(guān)文獻資料，了解泡沫鋁的發(fā)展現(xiàn)狀，掌握相關(guān)計算機知識； 2.以現(xiàn)有泡沫金屬結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立數(shù)學(xué)模型，選擇適當(dāng)?shù)能浖M行模擬；3.進行模擬驗證。主要技術(shù)指標(biāo)(或研究目標(biāo))1.根據(jù)題目內(nèi)容查閱相關(guān)資料，完成一篇2000字左右的綜述報告；2.獲得孔結(jié)構(gòu)模型及模擬結(jié)果；3.寫出不少于2萬字的畢業(yè)設(shè)計說明書

2、并按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)打印、裝訂。教研室意見教研室主任（專業(yè)負(fù)責(zé)人）簽字: 年 月 日說明：一式兩份，一份裝訂入學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）內(nèi)，一份交學(xué)院（直屬系）。目 錄摘要iabstractii第一章 緒論- 1 -1.1引言- 1 -1.2泡沫鋁簡述- 1 -1.3 泡沫鋁的性能特點- 1 -1.4泡沫鋁材料的應(yīng)用- 3 -1.5 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢- 3 -1.6 本文的研究內(nèi)容及意義- 5 -1.7 小結(jié)- 6 -第二章 有限元模擬的理論依據(jù)- 7 -2.1 deform-3d簡介- 7 -2.1.1 deform-3d概況- 7 -2.1.2 deform-3d系統(tǒng)結(jié)構(gòu)- 7 -2.1.3 d

3、eform-3d的功能- 8 -2.1.4 deform-3d的操作步驟- 8 -2.2 模擬設(shè)計思路- 9 -2.2.1 泡沫金屬和有限元的連接點- 9 -2.2.2泡沫模擬的設(shè)計思路- 9 -2.2.3 模擬的假設(shè)- 11 -2.3 幾何模型的建立- 12 -2.4泡沫鋁的壓縮性能- 13 -2.5 小結(jié)- 15 -第三章 實驗過程- 16 -3.1模擬的前處理- 16 -3.1.1幾何模型的建立和導(dǎo)入- 16 -3.1.2網(wǎng)格劃分- 17 -3.1.3材料模型- 17 -3.1.4物體空間位置的調(diào)整- 18 -3.1.6定義物體的運動- 18 -3.1.5模擬參數(shù)的定義- 18 -3.1

4、.6設(shè)置對象之間的關(guān)系- 19 -3.2模擬運算- 19 -3.3小結(jié)- 19 -第四章 實驗結(jié)果與分析- 20 -4.1 單元結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬- 20 -4.1.1不同材料單元結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果- 21 -4.1.2 模擬結(jié)果的驗證與分析- 32 -4.2不同孔隙率泡沫鋁模型的數(shù)值模- 33 -4.2.1不同孔隙率泡沫鋁模型的數(shù)值模擬結(jié)果- 33 -4.2.2結(jié)果分析與比較- 37 -4.2.3 誤差分析- 38 -4.3小結(jié)- 39 -第5章 結(jié)論- 40 -參考文獻- 41 -致 謝- 43 -附錄（英文翻譯）- 44 -泡沫金屬孔結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬摘要以多樣化孔隙(通孔，閉孔)為特征的超輕型金

5、屬結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)材料的輕質(zhì)多功能化，從而成為前沿?zé)狳c材料之一。本文從實際需求出發(fā)，以有限元模擬技術(shù)為手段，研究了泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)（正四面體、正八面體、正十四面體）的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能,并分析其變形特性。利用deform-3d軟件對單元結(jié)構(gòu)泡沫鋁準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程進行了數(shù)值模擬。結(jié)果如下：(1) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示泡沫鋁的壓縮變形過程與孔隙率、材料有關(guān)，即相同材料下隨孔隙率的增加，泡沫鋁的屈服強度下降。(2) 而對于同一模型,材料不同時，鋁硅材料要比純鋁的屈服強度高。(3) 對不同模型來說，十四面體模型更符合實際。在一定范圍內(nèi)，泡沫鋁的屈服強度隨孔隙率的增加而減小。關(guān)鍵詞：泡沫鋁，孔結(jié)構(gòu)，壓縮，屈服強度nu

6、merical simulation calculation of structure for metal foam abstractthe ultra-light metal structure with various kinds of pores (open, close) realizes the lightness and multifunction of structural material, therefore, it becomes one of the hot spots in scientific research fields. this paper was conce

7、ived from the actual demand ，by means of simulation technique , studied the quasi-static axial compression performance of the aluminum foam pore structure（such as regular tetrahedron，octahedron and tetrakaidecahedron），also discussed its deformation characteristics.as a result, using the finite eleme

8、nt software-deform, we analysis the porous foam compressing process though numerical simulation. and the results are showed as follows: (1) the strain-stress curves showed that he deformation process correlated with the material and porosity. with the increase of relatively density of aluminum foam,

9、which were made in the same material , its yielding stress decrease.(2) the same foam model with different materials, yielding stress of al-si foam is higher than pure al foam.(3)tetrakaidecahedron mathematical method, a more scientific one, is better than others. with the increase of relatively den

10、sity of aluminum foam, its yielding stress decrease to some extent.keywords: aluminum foam; pore structure; compression; yield strength 第一章 緒論1.1引言泡沫金屬是一種新型多用途材料，常用多孔金屬材料的材質(zhì)有青銅、鎳、鈦、鋁、不銹鋼，以及其他金屬和合金，在所有多孔金屬材料中受到特別重視的是泡沫鋁1?，F(xiàn)代工藝技術(shù)的發(fā)展，使得泡沫鋁的制備技術(shù)日趨完善，制造成本不斷降低。以泡沫鋁為代表的泡沫金屬是近年來發(fā)展較快的一種新型功能結(jié)構(gòu)材料，它具有優(yōu)良的機械阻尼、消聲降

11、噪、吸能、電磁屏蔽等功能，而且質(zhì)輕、堅固、耐熱、美觀，在國民經(jīng)濟建設(shè)和國防高科技等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景2,3，已成為當(dāng)今世界材料科學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。1.2泡沫鋁簡述 泡沫鋁是一種在鋁基體中均勻分布著大量連通或不連通孔洞的新型輕質(zhì)多功能材料,它兼有連續(xù)金屬相和分散空氣相的特點。按孔結(jié)構(gòu)劃分，泡沫鋁通常可分為胞狀鋁(閉孔泡沫鋁)和多孔鋁(通孔泡沫鋁)兩類4，前者孔隙率在80%以上，孔徑一般為2mm-5mm，各孔互不相通;后者的孔隙率在60%-75%，孔徑一股為0.8mm-2mm，各孔相互連通。泡沫鋁以其獨特的結(jié)構(gòu)而具有許多優(yōu)異的性能，它不僅具有多孔材料所具有的輕質(zhì)特性，還具有金屬所具有的

12、優(yōu)良的力學(xué)性能和熱、電等物理性能，如滲透、阻尼、能量吸收、高比表面積、電磁屏蔽等性能。現(xiàn)在，泡沫鋁的應(yīng)用主要有:防火和吸音板、沖擊能量吸收材料、建筑板、半導(dǎo)體氣體擴散盤、熱交換器、電磁屏蔽物等方面。也可用于冶金、化工、航空航天、船舶、電子、汽車制造和建筑業(yè)等領(lǐng)域，應(yīng)用范圍不斷擴大。1.3 泡沫鋁的性能特點泡沫鋁以其獨特的結(jié)構(gòu)而具有許多優(yōu)異的性能5,6,7，具體如下：1) 重量輕、密度低由于在鋁基體中存在許多大大小小的孔隙，因此使它明顯有重量輕，密度低的特點。泡沫鋁的密度范圍在0.20.5g/ cm3 ，其平均值只有鋁的1/ 10。2) 力學(xué)性能泡沫鋁的抗拉強度比較低，比強度也較低，但是抗壓強度

13、和抗彎強度較高。泡沫鋁的抗拉強度只有鋁的1/ 100 左右，比強度約為鋁的1/ 10。泡沫鋁的剛性較差，如泡沫鋁沒有鋁鋁所具有的延展性，受到壓力幾乎不發(fā)生塑性變形，由彎曲試驗測得泡沫鋁的彈性模量約為鋁合金的1/ 501/ 100。3) 吸收沖擊功特性泡沫鋁材料具有獨特的網(wǎng)狀、無方向性多孔結(jié)構(gòu)，而又無反彈作用。通過對這種材料進行應(yīng)力-應(yīng)變試驗，發(fā)現(xiàn)它的應(yīng)變強烈滯后于應(yīng)力，在壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線中包含一個很長的平穩(wěn)段，因而泡沫鋁是一種具有高沖擊功吸收特性的材料。4) 熱物理性能泡沫鋁一般有高的耐熱性能，即使溫度達到基體合金的熔點也不溶解，例如，almag合金的使用溫度范圍為560640，但是alma

14、g合金的泡沫合金在大氣中加熱到1400也不溶解。5) 透過性能透過性能是通孔泡沫鋁的又一特性，通過對泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)（如孔隙度、孔徑大小、通孔度等）的調(diào)整，可以獲得不同透過性能要求的泡沫鋁材料。6) 導(dǎo)電性多孔鋁材料橫斷面積只有一小部分為鋁，而大部分有充滿了氣體的氣孔組成，起導(dǎo)電性由基體鋁的性能決定。此外，氣孔壁上有一層氧化表面，它和氣體都不能導(dǎo)電。所以，橫斷面上鋁和氣孔的比值決定了泡沫材料導(dǎo)電性的強弱。因此，當(dāng)空隙率越大時，導(dǎo)電性就越差。當(dāng)泡沫鋁的密度增加，其導(dǎo)電性也會增加。7) 聲學(xué)及電磁性能對于通孔泡沫鋁，當(dāng)聲波接觸鋁表面時，經(jīng)過漫反射進入泡沫鋁的孔隙內(nèi)，使鋁內(nèi)部振動，將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，起?/p>

15、消音的作用。用電磁波對泡沫鋁進行試驗，發(fā)現(xiàn)泡沫鋁也有吸收電磁波的作用，因此泡沫鋁還有對電磁波的屏蔽作用。1.4泡沫鋁材料的應(yīng)用泡沫金屬以其獨特的結(jié)構(gòu)而具有許多優(yōu)異的性能，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于航天、航空、運輸、建筑、環(huán)保、能源、生物等各種高科技領(lǐng)域以及一般工業(yè)領(lǐng)域8,9,10,11，應(yīng)用的需要也正是對這種新型材料開發(fā)的意義。(1) 利用優(yōu)異的熱物理性能泡沫金屬具有很大的比表面積，通孔泡沫金屬可以用來制作熱交換器及散熱器；閉孔泡沫金屬可以作絕熱材料。 (2) 利用吸收沖擊功特性用于制造緩沖器、吸震器是泡沫金屬的重要用途之一。其應(yīng)用從汽車的防沖擋板直至宇宙飛船起落架，此外已成功地用于升降機、傳送器安全

16、墊、高速磨床防護罩吸能內(nèi)襯。 (3) 利用透過性能利用泡沫金屬的透過性能，可將其應(yīng)用于制備過濾器的重要材料。由于它與粉末冶金多孔性金屬相比，有孔徑大、孔隙度高的特點，用它制作的過濾器應(yīng)用范圍較廣，如濾掉液體、氣體中的固體顆粒等。(4) 利用聲學(xué)及電磁性能利用泡沫金屬的吸音性能，主要用于消音降噪方面，如用于蒸汽發(fā)電廠、氣動工具、小汽車等的衰減消音器。日本在高速列車配電室、播音室及新干線吸音等方面獲得有應(yīng)用前景的結(jié)果。(5) 其他用途泡沫金屬還可用于建筑業(yè)，如建筑物內(nèi)外裝飾件、幕墻、內(nèi)墻壁等;也可做計算機臺架；各種包裝箱等等。利用泡沫金屬的耐火性；可以用于建筑等工業(yè)上的耐火材料；或通過對其孔洞進行

17、處理，用于阻燃材料等。在化工方面，可用它作為催化劑的載體。另外泡沫金屬還可以作多孔電極。胞狀泡沫對高頻電磁波有很高的屏蔽系數(shù)，已被用于制作電子儀器外殼和構(gòu)建電磁屏蔽室等。1.5 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢由于采用少量金屬實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)材料多功能化，開拓了解決眾多高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)現(xiàn)存問題的新途徑，泡沫鋁已顯示出廣闊的應(yīng)用前景，成為美、日、英、中、德等國21世紀(jì)的前沿?zé)狳c材料。泡沫鋁已有50余年的發(fā)展史1,12,13,14，sosnik于1948年最早提出利用汞在鋁中氣化而制取泡沫鋁合金的想法。ellist發(fā)展了這一想法，并于1956年成功地制造了泡沫鋁。60年代美國乙烷公司（ethyl公司）成立了研制泡沫

18、鋁的中心。在開發(fā)應(yīng)用方面，1968年，美國erg公司用一種“duocel”方法制得的泡沫鋁材已在美國航天飛機上獲得應(yīng)用。日本九州工業(yè)金屬研究所1991年開發(fā)出泡沫鋁工業(yè)化生成的工業(yè)路線,目前已能用發(fā)泡法和滲流法生產(chǎn)大型和小型部件，并在日本的高速列車制造中獲得應(yīng)用。德國卡曼汽車公司與夫雷弗研究所合作用三明治式復(fù)合泡沫鋁材制造吉雅輕便轎車頂蓋板。1990年以來，美國、日本、德國相繼推出了制備高性能泡沫鋁的方法并申請了許多專利。目前國外對泡沫鋁的研究較為深入并且己取得較大成功，現(xiàn)已成功地應(yīng)用到汽車、建筑、包裝、機床等領(lǐng)域并正致力于其他方面的應(yīng)用研究。世界上生產(chǎn)技術(shù)較為成熟并能批量提供的泡沫鋁材料商品

19、有1,15：加拿大cymat公司提供的cymat、美國加州erg公司提供的duocel，德國fraunhofer研究所提供的ifam，日本shinkowire公司提供的alporas、英國porvair公司提供的metpore、奧在利alulight國際公司提供的alulight等。這些泡沫鋁材料生產(chǎn)商和高校以及研究所開展了密切的研究合作。哈佛大學(xué)、劍校大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、麻省理工大學(xué)和弗吉尼亞大學(xué)等大學(xué)制定了有關(guān)泡沫鋁的多學(xué)科大學(xué)研究創(chuàng)新計劃。英國劍校大學(xué)材料科學(xué)與冶金系復(fù)合材料和涂層材料研究小組主要在泡沫鋁材料制備工藝和結(jié)構(gòu)特性進行了較多的研究。受到勞斯萊斯公司（rolls royce）和

20、英國航空協(xié)會的資助，英國國家物理實驗室泡沫金屬研究小組目前主要開展的研究項目有“開孔泡沫金屬在功能性應(yīng)用上的特性評估”和“閉孔泡沫金屬在能量吸收和結(jié)構(gòu)性應(yīng)用上的特性評估”。目前這些研究主要集中在16：（1）解決應(yīng)用所需的大型件制品的制備，實現(xiàn)孔結(jié)構(gòu)、尺寸及其分布可控，降低制備成本并開發(fā)出孔結(jié)構(gòu)可控、均勻少缺陷的泡沫鋁制備技術(shù)。（2）研究胞狀鋁結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，盡可能滿足某一性能或多功能兼容性能的要求，為設(shè)計者提供設(shè)計指南，并選準(zhǔn)有前景的應(yīng)用對象進行應(yīng)用研究，逐步推廣泡沫鋁制品的應(yīng)用。我國研究較晚，國內(nèi)自80年代中期開始進行泡沫鋁材料的研究10,13。東南大學(xué)、大連理工大學(xué)、東北大學(xué)、山東工程學(xué)

21、院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院固體物理研究所、中國船舶工業(yè)總公司第725研究所、太原科技大學(xué)、昆明理工大學(xué)等研究機構(gòu)都先后作過許多研究，取得了一系列的研究成果。但多集中于制備工藝的研究，而對該材料的性能研究很少，應(yīng)用研究還僅限于做吸聲結(jié)構(gòu)，如高速公路的吸音墻，其他方面的應(yīng)用幾乎未涉及。為此，如何立足我國實際情況，吸收國外的先進經(jīng)驗，加快、完善泡沫鋁材料的制備方法、性能及該材料的應(yīng)用研究，充分發(fā)掘和應(yīng)用這種材料具有的特殊性能，成為具有重要理論和現(xiàn)實意義的課題。從目前的報道來看，盡管對于泡沫鋁材料的取得了一系列的研究成果，但還有很多問題有待進一步研究17,18,19：（1）泡沫鋁制備方法很多，從目

22、前的制備工藝來看，仍然對工藝過程了解不全面，導(dǎo)致了泡沫的可控性不高，尚沒有一種工藝技術(shù)能夠達到像聚合物泡沫生產(chǎn)那樣準(zhǔn)確控制結(jié)構(gòu)組態(tài)的水平。（2）關(guān)于泡沫鋁結(jié)構(gòu)的表征和測試方法還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。泡沫鋁是一種多孔金屬材料，既具有金屬的性能又具有多孔材料的性能，所以有的研究者按泡沫塑料的國家標(biāo)準(zhǔn)對其測試，而有的研究者則按金屬材料的國家標(biāo)準(zhǔn)對其進行測試，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。（3）有關(guān)泡沫鋁性能的研究主要停留在測試階段，泡沫鋁材料的性能與結(jié)構(gòu)組態(tài)的相關(guān)性，使泡沫鋁材料的性能在實際測試中所得的結(jié)果再現(xiàn)性差，結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能之間的關(guān)系難進行表征。圍繞泡沫結(jié)構(gòu)的表征和力學(xué)性能的數(shù)值模擬方面研究不足，尤其是國內(nèi)對這方

23、面的研究涉及很少。（4）泡沫鋁的實際應(yīng)用范例相對來說較少，特別是國內(nèi)對其應(yīng)用方面的研究還僅限于吸聲結(jié)構(gòu)，其它方面的應(yīng)用幾乎沒有涉及，而泡沫鋁具有許多優(yōu)異的性能，還有廣闊的應(yīng)用前景有待開發(fā)。1.6 本文的研究內(nèi)容及意義泡沫金屬材料研究的核心問題之一是結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系，對材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系進行計算機模擬或用相關(guān)的理論進行運算，以預(yù)報泡沫金屬的性能和制備方案，選擇、尋找更多的實際應(yīng)用前景的對象。很多研究者已用試驗的方法對泡沫材料的某個方面的性能與結(jié)構(gòu)關(guān)系進行了研究，也有一部分人開始用計算機進行模擬研究。利用計算機對真實系統(tǒng)進行模擬“試驗”、提供實驗結(jié)果、指導(dǎo)泡沫金屬的研究，是有效的方法之一。本課題在

24、了解、熟悉泡沫金屬結(jié)構(gòu)和性能的前提下，采用計算機模擬二者關(guān)系。對于多孔泡沫鋁材料而言，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及計算機容量的限制，通常不可能把整體結(jié)構(gòu)作為對象進行分析，而只能取其具有代表性的體積單元(rve)體胞為具體對象。國內(nèi)的研究者為更確切建立體元所作的大量研究，為用有限元法對三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能進行數(shù)值仿真奠定了基礎(chǔ)。隨著計算機技術(shù)的進步和人類對物質(zhì)不同層次的結(jié)構(gòu)及動態(tài)過程理解的深入，可以用計算機精確模擬的對象日益增多。在許多情況下，用計算機模擬比進行真實的實驗要快要省，因此可以根據(jù)計算機模擬的結(jié)果來判斷其結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，以提高工作效率。對于泡沫金屬結(jié)構(gòu)和和性能及用途的適應(yīng)性研究，

25、大多采取實驗研究的方法，已取得了初步成效。但鑒于有限元理論的不斷發(fā)展和完善，本課題擬采用有限元仿真模擬的方法進行探索性研究。1.7 小結(jié)本章對泡沫鋁材料的概念、性能及其用途進行了介紹，描述了目前國內(nèi)外一些有關(guān)泡沫鋁的研究現(xiàn)狀與未來展望，同時還對本課題的研究內(nèi)容及意義進行了概括。第二章 有限元模擬的理論依據(jù)隨著有限元技術(shù)的發(fā)展利用有限元進行仿真模擬，可以省去很多實驗過程，還可以通過計算模擬在實驗上難以實現(xiàn)的加載情況，作為對試驗的補充，降低了實驗費用，節(jié)約開支。因而本課題利用有限元軟件deform-3d研究泡沫鋁的壓縮性能。2.1 deform-3d簡介2.1.1 deform-3d概況defor

26、m-3d是一套基于有限元的工藝仿真系統(tǒng)，用于分析金屬成形及其相關(guān)工業(yè)的各種成形工藝和熱處理工藝。通過在計算機上模擬整個加工過程，幫助工程師和設(shè)計人員：設(shè)計工具和產(chǎn)品工藝流程，減少昂貴的現(xiàn)場試驗成本；提高工模具設(shè)計效率，降低生產(chǎn)和材料成本；縮短新產(chǎn)品的研究開發(fā)周期。deform-3d不同于一般的有限元程序，它是專為金屬成形而設(shè)計的。它具有非常友好的圖形用戶界面，可幫助用戶很方便地進行準(zhǔn)備數(shù)據(jù)和成形分析。這樣，工程師們便可把精力主要集中在工藝分析上，而不是去學(xué)習(xí)煩瑣的計算機系統(tǒng)。 deform-3d 專為大變形問題設(shè)計了一個全自動的、優(yōu)化的網(wǎng)格再劃分系統(tǒng)。2.1.2 deform-3d系統(tǒng)結(jié)構(gòu)de

27、form-3d是一個高度模塊化、集成化的有限元模擬系統(tǒng)，它主要包括前處理器、模擬器、后處理器三大模塊。前處理器處理模具和坯料的材料信息及幾何信息的輸入、成形條件的輸入，建立邊界條件，它還包括有限元網(wǎng)格自動生成器；模擬器是集彈性、彈塑性、剛(粘)塑性、熱傳導(dǎo)于一體的有限元求解器；后處理器是將模擬結(jié)果可視化，支持opgl 圖形模式，并輸出用戶所需的模擬數(shù)據(jù)。deform-3d允許用戶對其數(shù)據(jù)庫進行操作，對系統(tǒng)設(shè)置進行修改，以及定義自己的材料模型等。2.1.3 deform-3d的功能(1)成形分析： 冷、溫、熱鍛的成形和熱傳導(dǎo)偶合分析，提供材料流動、模具充填、成形載荷、模具應(yīng)力、纖維流向、缺陷形成

28、和韌性破裂等信息；豐富的材料數(shù)據(jù)庫，包括各種鋼、鋁合金、鈦合金等，用戶還可自行輸入材料數(shù)據(jù)；剛性、彈性和熱粘塑性材料模型，特別適用于大變形成形分析；彈塑性材料模型適用于分析殘余應(yīng)力和回彈問題，燒結(jié)體材料模型適用于分析粉末冶金成形；完整的成形設(shè)備模型可以分析液壓成形、錘上成形、螺旋壓力成形和機械壓力成形；溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、損傷及其他場變量等值線的繪制使后處理簡單明了。(2)熱處理：模擬正火、退火、淬火、回火、滲碳等工藝過程；預(yù)測硬度、晶粒組織成分、扭曲和含碳量；可以輸入頂端淬火數(shù)據(jù)來預(yù)測最終產(chǎn)品的硬度分布；可以分析各種材料晶相，每種晶相都有自己的彈性、塑性、熱和硬度屬性。混合材料的特性取決于熱處

29、理模擬中每步各種金屬的百分比。deform-3d用來分析變形、傳熱、熱處理、相變和擴散之間復(fù)雜的相互作用，各種現(xiàn)象之間相互耦合。擁有相應(yīng)的模塊之后，這些耦合將包括：由于塑性變形引起的升溫、加熱軟化、相變控制溫度、相變內(nèi)能、相變塑性、相變應(yīng)變、應(yīng)力對相變的影響以及含碳量對各種材料屬性產(chǎn)生的影響等。2.1.4 deform-3d的操作步驟deform-3d的分析步驟主要包括三個步驟：（1）前處理創(chuàng)建或讀入幾何模型；劃分網(wǎng)格；定義材料屬性；設(shè)定約束條件。（2）求解（3）后處理查看分析結(jié)果；檢驗結(jié)果。2.2 模擬設(shè)計思路 2.2.1 泡沫金屬和有限元的連接點通過研究泡沫金屬的結(jié)構(gòu)和性能以及有限元方法，

30、尋找二者之間的連接點，使之達到用有限元模擬泡沫金屬結(jié)構(gòu)和性能的目的。泡沫金屬的很多性能（如機械性能、能量吸收和阻尼性能等）在很大程度上可以由其壓縮曲線反映。在泡沫金屬性能研究過程中，泡沫金屬的壓縮曲線是至關(guān)重要的，尤其是機械性能、能 量吸收性能和阻尼性能的表述。因此，把壓縮曲線作為泡沫金屬仿真模擬的切入點，可以通過壓縮曲線的形狀和走向來評估其機械性能和能量吸收性能及阻尼特性。 2.2.2泡沫模擬的設(shè)計思路 探索泡沫鋁微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系，是大多數(shù)模型與模擬研究的關(guān)鍵所在。多孔泡沫金屬材料的性能與孔單元的結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，孔單元的結(jié)構(gòu)表征參數(shù)如孔隙率、孔徑等取決于孔的類型（開孔如圖2.

31、1，閉孔如圖2.2）、孔的形狀和孔的分布5,8。 圖2.1 閉孔泡沫鋁 圖2.2 開孔泡沫鋁多孔材料力學(xué)性能的模擬可在不同尺度范圍內(nèi)進行。按微觀機制的觀點泡沫金屬的不均勻結(jié)構(gòu)由單孔、孔壁、孔棱、接點構(gòu)成，可用統(tǒng)計方法或建立離散幾何模型方法進行研究。從宏觀上來看，如果孔穴尺寸相對于測試樣品或元件的尺寸來說相當(dāng)小，就可把泡沫金屬看作是均勻的連續(xù)統(tǒng)一體，其主要用于空洞及固體填充孔的影響。目前利用有限元軟件對泡沫鋁的微觀力學(xué)研究都是以離散的微觀結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)的，這種微觀幾何模型常被理想化。為確定高孔隙率多孔固體在外力作用下的響應(yīng)，可用網(wǎng)狀的柱體（開孔泡沫）或殼體（閉孔泡沫）對多孔結(jié)構(gòu)進行模型描述，并采

32、用有限元或邊界元數(shù)值方法進行分析。有三種本構(gòu)模型可用于模擬單元的塑性變形：經(jīng)典的j2塑性模型、可變性泡沫模型（crushable foam model）及簡單自相似模型20,21。近來流行的2d微觀幾何模型是將泡沫金屬截面的纖維照片為基礎(chǔ)而建立。這種“真實結(jié)構(gòu)”模型需要對邊界進行處理以使其具有周期性。3d模型常用規(guī)則立方體、八面體模型、菱形十二面體、規(guī)則十四面體(或稱為kelvin結(jié)構(gòu))等。對于各向同性的開孔泡沫材料，劉培生13提出的新八面體模型。從孔隙單元密積、孔棱全部等價、所構(gòu)多孔體三維各向同性等基本點出發(fā)，將這種多孔體抽象地表征為具有八面體結(jié)構(gòu)的孔隙單元的集合體。不管多孔體是單向、雙向還

33、是三向承載，新模型中各棱柱的受力狀態(tài)均完全等價從而實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)單元中所有棱柱的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和受力狀態(tài)雙重等價，克服了gibson-ashby模型中“多孔體在單向承載、雙向承載和三向不等”的缺點。十四面體的優(yōu)點是它與實際多面體泡沫具有等同的平均面數(shù)及孔棱數(shù)。因此，十四面體已被廣泛地用于研究開孔泡沫和閉孔泡沫，但是這種模型在量上與實際的模型存在差別，如其楊氏模量隨密度二次方變化，而體積模量則是線性變化5,22，這與實驗不符合。較復(fù)雜的幾何體可通過的兩種大小不同多面體的規(guī)則排列而得到，voronoi模型也可用于建立不規(guī)則的開孔泡沫和閉孔泡沫。隨著可測量具有一定復(fù)雜程度的數(shù)字微觀結(jié)構(gòu)的大規(guī)模計算方法和有效計

34、算能力的出現(xiàn)，一種基于voronoi tessellation23,24方法的隨機泡沫模型開始成為新的研究。voronoi tessellation數(shù)學(xué)定義與泡沫構(gòu)成的物理特性存在很多相似之處，使這種模型目前為止是一種較為理想的模型。利用現(xiàn)成的商業(yè)有限元軟件deform-3d進行泡沫金屬結(jié)構(gòu)性能的計算機仿真模擬，通過模擬其目的是反映泡沫金屬的結(jié)構(gòu)性能，評估和預(yù)測一定孔隙率條件下泡沫金屬的機械性能和能量吸收性能。其泡沫金屬性能反映和有限元模擬的連接點在于泡沫金屬壓縮實驗下的壓縮曲線。但就其泡沫金屬（主要指閉孔泡沫金屬）的結(jié)構(gòu)而言，是一種由金屬骨架、較大孔徑、高孔隙率組成的新型多孔結(jié)構(gòu)功能材料，建

35、立其完全的物理模型是極其困難的。因為到目前為止，對于泡沫金屬的研究而言，只是從實驗的角度給出了一些定量的分析研究，并未從理論的角度給出確切的定性分析，因而對于泡沫金屬的有限元模擬并無現(xiàn)成的理論模型可遵循。就泡沫金屬的實質(zhì)而言，它也是一種金屬，只不過是具有高密度缺陷的金屬。那么泡沫金屬仍應(yīng)滿足金屬的塑性變形基本定律，在進行泡沫金屬壓縮模擬時，只需從幾何構(gòu)形方面考慮，其余均按實體金屬的性質(zhì)來運行。這樣，無論在模型設(shè)計及模型實施的各個方面都得到了簡化。泡沫金屬的結(jié)構(gòu)表征參數(shù)很多，包括有：孔徑、孔隙率、密度、比表面積、通孔度、開孔度及流通特性等。但此模擬研究主要是在假設(shè)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的 情況下，取不

36、同大小的孔隙率、孔徑，對泡沫金屬進行模擬。其主要原因有以下兩個方面：(1)孔隙率是影響泡沫金屬結(jié)構(gòu)性能的一個重要參數(shù)，與泡沫金屬的密度成反比關(guān)系。正因為泡沫金屬機械性能很大程度上由其密度決定，所以換言之，泡沫金屬的機械性能很大程度上由孔隙率決定。(2)孔隙率是一個直觀因素，也利于簡化模型與運算。取平均孔隙率作為模擬的標(biāo)準(zhǔn)。平均孔隙率的定義為平均每截面孔隙所占面積與該截面面積的比值，其運算公式為：=s孔/s截面 (2.1)（3）孔徑也是反映泡沫鋁力學(xué)性能的主要參數(shù)，以前的研究表明，孔徑的大小存在一個極值，太小或太大屈服應(yīng)力都會降低，只有在合適的尺寸其屈服應(yīng)力才會達到最大值。2.2.3 模擬的假設(shè)

37、 利用模板對泡沫金屬塊進行壓縮變形，進而通過其模擬得到的結(jié)果研究其性能。模擬的假設(shè)條件對于模擬的影響相當(dāng)重要。好的假設(shè)不僅可以簡化模型，還可以得到良好的模擬效果。此模擬的假設(shè)條件:1.圓孔假設(shè) 2.滑動庫侖摩擦 2.圓孔假設(shè)。 泡沫金屬體內(nèi)有若干個連通或不連通的孔洞，也就是通孔泡沫金屬和閉孔泡沫金屬。以閉孔泡沫金屬為研究對象，孔洞形狀的規(guī)則性與否取決于制備工藝。但孔洞形狀在某一截面上呈現(xiàn)出多邊形狀。為了使模型簡化，可以把多邊形近似描述為圓。因此，在截面上取若干個圓，進行模擬分析。一般情況下，孔洞的大小應(yīng)該是不一樣的，但考慮到模型的簡化與網(wǎng)格劃分的諸多因素，取等大的圓孔，即等圓孔徑，更有利于分析

38、研究。3.滑動庫侖摩擦滑動庫侖摩擦是依賴于法向力和相對滑動速度的高度非線性現(xiàn)象，它是速度或位移增量的隱式函數(shù)。它采用恒定的摩擦系數(shù)，當(dāng)接觸正應(yīng)力為p時，。在許多加工工藝和一般的其它有摩擦的實際問題中都被廣泛的采用。2.3 幾何模型的建立取兩塊模塊作上下模板，取一模塊放于兩模板之間，進行壓縮變形。壓縮前，需要對各模塊定義參數(shù)，其中上下模板材料定義為剛體，中間模塊定義為泡沫材料并劃分網(wǎng)格。在常溫條件下進行實驗，壓縮時，下模板固定不動，上模板以一定速度勻速沿y軸方向壓縮使泡沫體變形。幾何模型如下示意圖2.3所示。圖2.3幾何模型示意圖模擬參數(shù)的選擇與確定直接關(guān)系到模擬的成功與否。該模擬研究主要是從幾

39、何構(gòu)型、網(wǎng)格劃分、材料特性定義、接觸條件定義、網(wǎng)格自適應(yīng)和載荷工況定義等幾個方面著手考慮來描述模擬泡沫鋁受壓縮載荷條件下的平面變形狀況，通過模擬獲得的壓縮力與增量的關(guān)系曲線來預(yù)測和評估真實的壓縮曲線下的機械性能等。(1) 模擬研究的材料特性定義。依據(jù)泡沫金屬模擬研究模型設(shè)計的初衷，泡沫鋁的一切材料特性定義參數(shù)都輸入純鋁的材料參數(shù)。楊氏模量e=7.21010pa，泊松比=0.35，密度=2.7103kg/m3，彈塑性變形，屈服強度s=2.0107pa。(2) 由于軟件的不斷開發(fā)與升級，deform-3d中的接觸定義即等同于某些邊界條件的定義，意思是對于某些模擬研究的接觸定義就是邊界狀況的描述，接

40、觸定義中的重要一條是先定義變形體，再定義剛體。泡沫鋁被定義為變形體，上下模板被定義為剛體。壓縮變形過程時上模板以v=0.0833mm/s的速度下壓，上下模板與泡沫鋁之間的摩擦系數(shù)均取1=0.12，且摩擦類型都為滑動庫侖摩擦。這種摩擦類型在許多加工工藝分析和一般的其它有摩擦的實際問題中都被廣泛采用。(3) 網(wǎng)格初劃采用全自動的網(wǎng)格劃分生成技術(shù)。適用于由封閉曲線圍成的平面單連通區(qū)域或多連通區(qū)域內(nèi)的四邊形網(wǎng)格生成。給定uv方向的單元份數(shù)，控制單元數(shù)量；另外，給定偏斜系數(shù)可以設(shè)置網(wǎng)格生成的疏密度。(4) 網(wǎng)格自適應(yīng)。在金屬成形及大應(yīng)變分析中，常常伴隨著嚴(yán)重的網(wǎng)格畸變，從而使以此為參考構(gòu)型的后續(xù)增量分析

41、在質(zhì)量低劣的網(wǎng)格上完成，影響結(jié)構(gòu)精度，甚至導(dǎo)致分析的中止。因此，該模型在第5步增量后，使用網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，制定相應(yīng)的誤差準(zhǔn)則，自動定義有限元分析網(wǎng)格的疏密程度，使得數(shù)值計算在網(wǎng)格疏密相對優(yōu)化的有限元模型上完成，大大提高了有限元分析的筋骨和效率。2.4泡沫鋁的壓縮性能 1980年以來，比較系統(tǒng)地研究了多種多孔材料，提出用立方體單一孔單元模型，這些模型對所選取的胞體不敏感，具有一定的普適性，使人們對泡沫材料力學(xué)行為的認(rèn)識更為清晰和準(zhǔn)確。獲得了蜂窩、開孔和閉孔泡沫的很多力學(xué)參數(shù)結(jié)果，如彈性變形、彈性屈曲、塑性塌陷、脆性斷裂、黏彈性變形、蠕變及蠕變屈曲等6。simone25等模擬討論了孔壁質(zhì)量分布、彎

42、曲和褶皺對金屬泡沫剛度、強度的影響，認(rèn)為孔壁質(zhì)量分布不均勻、彎曲和褶皺是金屬泡沫剛度強度的實驗值遠低于由理想模型算出的理論值的主要原因。rammerstorfer設(shè)計了可以分析承載方向上密度梯度作用的一維模型2，并就一維非均勻化對應(yīng)力應(yīng)變特性及泡沫鋁的沖擊能量吸收作用進行了研究。daxner等人7把這種模型擴散為二維模型，在該二維模型中，材料可用與非線性彈簧及剛性橫橋連接的質(zhì)量點的排列來描述。用x射線層析攝影（xct）可揭示泡沫金屬的三維不均勻質(zhì)量分布特性文獻26,27中研究了不均勻介觀缺陷分布對泡沫金屬的變形、彈性及塑性性能的影響。魏鵬28等考慮泡沫鋁結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性和可能存在的大量缺陷，根據(jù)

43、泡沫鋁的實際微觀幾何缺陷情況，改進建模使模型中加入了一些缺陷(如孔大小隨機分布造成的不均勻性、大孔)（如圖2.4，2.5），使模型對比常用的周期性六邊形蜂窩更能符合實際泡沫鋁材料的結(jié)構(gòu)孔單元，更能正確代表材料的空間排列情況29，然后通過有限元軟件ansay模擬不同泡沫鋁模型的彈性模量，通過數(shù)學(xué)方法擬合出泡沫鋁表觀彈性模量與相對密度的關(guān)系式。 圖2.4不均勻結(jié)構(gòu)泡沫鋁模型 圖2.5均勻結(jié)構(gòu)泡沫鋁模型理論和實驗均已證明，當(dāng)泡沫鋁被壓縮時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線和其它的多孔材料一樣，都可以分為三個階段：即線形彈性（oa 段）、塑性塌陷（區(qū)也即平臺區(qū)，ab 段）和致密化區(qū)（bc 段）。當(dāng)應(yīng)變很小時它呈現(xiàn)線彈性

44、；然后出現(xiàn)一個長長的平臺，這時應(yīng)變增大很大而應(yīng)力幾乎恒定不變（塑性塌陷區(qū)，也即平臺區(qū)）；最后胞壁被擠壓在一起，材料被壓實應(yīng)力又迅速增大（致密化區(qū)）。如圖2.6 所示。 圖2.6 理想泡沫材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線 2.5 小結(jié)本章介紹了deform-3d有限元軟件操作的具體步驟，列舉了有限元模擬的設(shè)計思路及模擬壓縮幾何模型建立的方法，并對泡沫鋁的壓縮形變過程中的變形情況做了說明。第三章 實驗過程3.1模擬的前處理從開始菜單打開deform-3d，利用create a new directory 圖標(biāo)創(chuàng)建一個新子目錄。然后在simulation control里面將units改為si制， object

45、type選擇porous。deform-3d 的control窗口如圖3.1所示。圖3.1 deform-3d 的control窗口定義模型材料的類型為porous。模擬環(huán)境為等溫情況(20)。模具則均設(shè)置為剛體，因而整個成形過程無變形情況發(fā)生。3.1.1幾何模型的建立和導(dǎo)入由于模型較復(fù)雜，我們采用pro/engineer進行建模，將其保存為stl格式，然后再導(dǎo)入deform-3d中。在本次實驗過程中分別建立了單元結(jié)構(gòu)模型和泡沫體模型，其中單元結(jié)構(gòu)是選擇建立了有代表性的正四變形、正八面體和十四面體結(jié)構(gòu)，泡沫體則是輪廓尺寸為101020mm孔隙率為68%和輪廓尺寸為252550mm 75%孔隙率

46、為的兩個泡沫模型。在前處理的物體窗口中點擊按鈕，然后再選擇選擇以做好的stl文件即可導(dǎo)入模型。3.1.2網(wǎng)格劃分劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個重要環(huán)節(jié)，它要求考慮的問題較多，需要的工作量較大，所劃分的網(wǎng)格形式對計算精度和計算規(guī)模將產(chǎn)生直接影響。網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計算結(jié)果的精度和計算規(guī)模的大小。一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計算精度會有所提高，但同時計算規(guī)模也會增加，所以在確定網(wǎng)格數(shù)量時應(yīng)權(quán)衡兩個因數(shù)綜合考慮。由于結(jié)構(gòu)形狀對稱，其網(wǎng)格也劃分為對稱網(wǎng)格，以使模型表現(xiàn)出相應(yīng)的對稱特性。deform-3d有限元分析軟件自帶有優(yōu)化器，網(wǎng)格劃分后可進行帶寬和波前優(yōu)化，從而減輕人的勞動強度。deform-3d中

47、，如果用其自身帶的網(wǎng)格剖分程序，只能劃分四面體單元，這主要是為了考慮網(wǎng)格重劃分時的方便和快捷。但是它也接收外部程序所生成的六面體（磚塊）網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分可以控制網(wǎng)格的密度，是網(wǎng)格的數(shù)量進一步減少，有不至于在變形劇烈的部位產(chǎn)生嚴(yán)重的網(wǎng)格畸變。在劃分網(wǎng)格時，因為模型的尺寸大小不同，所以劃分網(wǎng)格的數(shù)量也就不一樣。四面體結(jié)構(gòu)劃分的網(wǎng)格數(shù)是40000個，八面體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)量為50000個，十四面體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)量為70000個，101020mm模型的網(wǎng)格數(shù)量為200000個，252550mm模型的網(wǎng)格數(shù)量為200000個。3.1.3材料模型deform-3d軟件自帶了100余種材料塑性性能數(shù)據(jù)以及多種材料模

48、型。根據(jù)本實驗任務(wù)要求，對每一個模型都分別選取了deform-3d里面的al-1100和alsi-d2兩種材料來進行研究。具體步驟為：單擊material properties 按鈕，打開material properties 窗口，點擊library選項，選取材料al-1100或alsi-d2，并單擊按鈕完成材料數(shù)據(jù)輸入。3.1.4物體空間位置的調(diào)整空間位置的調(diào)整有兩層含義，一是可以移動、選擇物體，改變它們的最初位置，因為在deform-3d的前處理中不能造型，所以這一項功能特別重要，可以將輸入到deform-3d中的毛坯、模具幾何模型進行調(diào)整。二是為了更快的將模具和坯料接觸，將它們干涉，有

49、一個最初的接觸量，這樣計算上可以節(jié)省時間。另外，還可以定義摩擦接觸的關(guān)系、摩擦系數(shù)、摩擦方式等。點擊按鈕即可對模型與上下模板的空間位置進行調(diào)整。3.1.6定義物體的運動設(shè)置模具的運動由于在研究材料動力學(xué)行為時，通常將材料僅受單向應(yīng)力和應(yīng)變設(shè)為前提條件，側(cè)向應(yīng)力應(yīng)變的影響加以忽略。本實驗對泡沫鋁的壓縮過程屬于準(zhǔn)靜態(tài)壓縮，主動模板的運動速度為0.0833mm/s，模型和下模板在壓縮過程中靜止不動。輸入上下模板后，設(shè)定上模（top die）為主動模板。單擊objects按鈕，選擇對象object表中的top die并單擊運動movement按鈕。上模將按一定速度運動動，定義速度為0.0833mm/s

50、。模型和下模具不動，即定義速度為0。3.1.5模擬參數(shù)的定義模擬參數(shù)的定義主要是為了進行有效的數(shù)值模擬，因為成形分析是一個連續(xù)的過程，分許多時間來計算，所以需要定義一些基本的參數(shù)：1總步數(shù)：決定了模擬的總時間和行程；2步長：有兩種選擇，可以用時間或每步的行程；3主動模具：選擇物體的編號；4存儲步長：決定每多少步存一次，不要太密否則文件太大。由于正四面體和正八面體單元結(jié)構(gòu)尺寸較小，設(shè)定的總步數(shù)都為10步，步長分別為0.396mm和0.56mm，十四面體單元結(jié)構(gòu)設(shè)定總步數(shù)為20歩，步長為0.8mm，存儲步長都為1；101020mm和252550mm模型總步數(shù)分別為50和100歩，步長為0.32mm

51、和0.4mm，存儲步長為5。主動模具是上模top die。3.1.6設(shè)置對象之間的關(guān)系在control窗口中點擊按鈕，打開inter-object窗口定義master-slave關(guān)系(即工件和模具)。選擇object 表中的top die并點擊按鈕，在value小窗口中選擇constant的值為0.12。非分離條件使得上下模具和工件的節(jié)點至始至終保持接觸，節(jié)點可在平面上任意運動，這有效地約束平面上的節(jié)點法線方向速度量為0。再點擊按鈕。在tolerance窗口中輸入值0.02，點擊按鈕完成。3.2模擬運算模擬的前處理完成以后，單擊按鈕保存已有數(shù)據(jù)到一個keyword文件中，點擊按鈕檢查所設(shè)步驟是

52、否正確，如有錯誤則需找出并該正后再繼續(xù)操作，沒有問題就點擊按鈕生成以生成db文件。然后關(guān)閉該窗口，即完成前處理。點擊按鈕退出control窗口，選擇db文件單擊run按鈕即開始對模型進行壓縮模擬運算。3.3小結(jié)本章對deform-3d軟件模擬分析的方法做了詳細(xì)說明，其中包括模擬前處理對基體網(wǎng)格劃分、材料屬性設(shè)置及模擬參數(shù)的設(shè)置等。第四章 實驗結(jié)果與分析4.1 單元結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬開孔泡沫鋁的基體材料被拉成桿而形成孔穴的棱邊，并交匯于頂點，孔棱可以簡化成一端受力的梁。三維孔穴的形狀和空間堆壘形式比較多，有四面體、三棱柱、四棱柱、六棱柱、八面體、菱形十二面體、五邊形十二面體、十四面體等。泡沫鋁三維實

53、際結(jié)構(gòu)中的孔穴具有多種形態(tài)且存在缺陷，本節(jié)把泡沫鋁孔穴假設(shè)成理想的正四面體、正八面體、十四面體結(jié)構(gòu)，用有限元軟件對其壓縮性能進行數(shù)值模擬。圖4.1(a) (b)、4.2(a) (b)、4.3(a) (b)分別為正四面體、正八面體、十四面體結(jié)構(gòu)代表單元模型和空間組合方式。a b圖4.1（a）：四面體代表單元 （b）：四面體空間組合方式a b圖4.2（a）：八面體代表單元 （b）：八面體空間組合方式ab圖4.3（a）：十四面體單元結(jié)構(gòu) （b）： 十四面體空間組合方式泡沫金屬的機械性能不僅由其孔隙率決定，在很大程度上也受其材料的影響。因此在孔隙率一定的條件下，可通過研究材料與強度的關(guān)系來分析泡沫金屬

54、的性能。表4.1 單元模型材料性能參數(shù)模型材料楊氏模量 e（gpa）抗壓強度 （mpa）泊松比密度(kg/m3)摩擦系數(shù)壓縮速度mm/s正四面體鋁68.9200.332.690.120.0833鋁硅2061500.32.820.120.0833正八面體鋁68.9200.332.690.120.0833鋁硅2061500.32.820.120.0833十四面體鋁68.9200.332.690.120.0833鋁硅2061500.32.820.120.08334.1.1不同材料單元結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果以下為本課題研究的兩種不同材料正四面體、正八面體、十四面體單元模型的模擬壓縮曲線。圖4.4(a)為al

55、-1100四面體結(jié)構(gòu)的壓縮載荷-時間曲線；圖4.4（b）為al-1100四面體結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力-時間曲線；圖4.4（c）為al-1100四面體結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)變-時間曲線；圖4.4（d）為al-1100四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖4.4（a）al-1100四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮載荷-時間曲線圖4.4（b）al-1100四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力-時間曲線圖4.4（c）al-1100四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)變-時間曲線 圖4.4（d）al-1100四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖4.5（a）為alsid2四面體結(jié)構(gòu)的壓縮載荷-時間曲線；圖4.5（b）為alsi-d2四面體結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力-時間曲

56、線；圖4.5（c）為alsid2四面體結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)變-時間曲線；圖4.5（d）為alsid2四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖4.5（a）alsid2四面單元體結(jié)構(gòu)的壓縮載荷-時間曲線圖4.5（b）alsid2四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力-時間曲線圖4.5（c）alsid2四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)變-時間曲線圖4.5（d）alsid2四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖4.6（a）為al-1100八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮載荷-時間曲線；圖4.6（b）為al-1100八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力-時間曲線；圖4.6（c）為al-1100八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)變-時間曲線；圖4.6（d）為al-1100八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖4.6（a）al-1100八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮載荷-時間曲線圖4.6（b）al-1100