多孔金屬材料應(yīng)力力增強(qiáng)現(xiàn)象的研究

多孔金屬材料應(yīng)力/力增強(qiáng)現(xiàn)象的研究多孔金屬材料由于具有高比剛度、高比強(qiáng)度、強(qiáng)的吸收能量的能力、高的滲透性以及高的熱傳導(dǎo)性等優(yōu)點(diǎn)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(hù)工程等領(lǐng)域大量使用。為此,其靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)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(yīng)變率效應(yīng)機(jī)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(yīng)力/應(yīng)力增強(qiáng)效應(yīng)。目前,觀察到的應(yīng)力/力增強(qiáng)效應(yīng)現(xiàn)象主要包括兩個(gè)方面：1)應(yīng)力/力增強(qiáng)是指沖擊速度/載荷作用下臨界坍塌應(yīng)力和平臺應(yīng)力隨著沖擊速度/載荷的增加而增加,這一現(xiàn)象實(shí)際上是速度效應(yīng)。2)當(dāng)多孔金屬材料作為防護(hù)性材料來減輕被保護(hù)物體傷害時(shí),被保護(hù)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(yīng)力/力比加載端的應(yīng)力/力增大,產(chǎn)生了應(yīng)力/力增強(qiáng)。這種應(yīng)力增強(qiáng)對于被保護(hù)物體會造成更嚴(yán)重的傷害,這與人們利用多孔金屬材料用作防護(hù)層以減緩對被保護(hù)物體的傷害正好相反。因此,需要詳細(xì)研究產(chǎn)生應(yīng)力/力增強(qiáng)現(xiàn)象的機(jī)理,以防止對被保護(hù)物體造成的傷害。本文采用改進(jìn)的霍普金森桿實(shí)驗(yàn)裝置,在兩種實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了大量的應(yīng)力增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究。其次,利用現(xiàn)有的一維應(yīng)力波傳播理論,采用理想剛塑性-密實(shí)化材料模型和彈性-理想剛塑性-密實(shí)化材料模型推導(dǎo)了兩種實(shí)驗(yàn)狀況下沖擊波波陣面后方的動態(tài)應(yīng)力的計(jì)算公式,同時(shí)給出沖擊波波陣面存在的條件。第三,采用前處理程序FEMB.V29(ETA.Com,美國)建立了與兩種實(shí)驗(yàn)狀態(tài)一致的有限元模型,利用顯式結(jié)構(gòu)非線性動力響應(yīng)分析程序LS-DYNA3D.970在HP-J6750工作站上進(jìn)行多孔固體應(yīng)力增強(qiáng)的數(shù)值模擬分析,并且把實(shí)驗(yàn)結(jié)果、理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析,同時(shí)對多孔金屬材料的相關(guān)參數(shù)進(jìn)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(jī)分布性質(zhì)、胞孔壁厚隨機(jī)不均勻性以及孔壁隨機(jī)缺失等因素影響,本文建立二維Voronoi隨機(jī)模型研究上述因素對應(yīng)力增強(qiáng)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(dāng)撞擊速度大于等于某一臨界速度時(shí),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(yīng)力大于波陣面前方的靜態(tài)應(yīng)力,出現(xiàn)應(yīng)力增強(qiáng)。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(dāng)子彈的質(zhì)量與泡沫試件的質(zhì)量比大于某一數(shù)值時(shí),可以忽略子彈質(zhì)量對應(yīng)力增強(qiáng)的影響。由于開孔鋁泡沫材料應(yīng)力應(yīng)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(yīng)力、應(yīng)變和質(zhì)點(diǎn)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(yīng)力大于加載端應(yīng)力的另一種應(yīng)力增強(qiáng)現(xiàn)象。這種應(yīng)力增強(qiáng)會造成被保護(hù)物體更嚴(yán)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(yīng)力增強(qiáng)的時(shí)間隨著試件厚度的增加而推遲。但是改變試件厚度,并不會改變出現(xiàn)應(yīng)力增強(qiáng)的速度。對于開孔鋁泡沫材料,實(shí)驗(yàn)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(yīng)力也在增加。對于六邊形鋁蜂窩材料的研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)撞擊速度大于某一臨界速度時(shí),鋁蜂窩材料中也會產(chǎn)生應(yīng)力增強(qiáng)。鋁蜂窩材料應(yīng)力增強(qiáng)與撞擊速度、鋁蜂窩壁厚厚度等因素有關(guān)。采用二維Voronoi隨機(jī)模型研究了“真實(shí)”多孔金屬材料在脈沖載荷作用下的應(yīng)力增強(qiáng)現(xiàn)象。分析了孔形狀隨機(jī)不規(guī)則度k1,孔壁厚度隨機(jī)不均勻度k2以及隨機(jī)孔壁不完整性對出現(xiàn)應(yīng)力增強(qiáng)現(xiàn)象以及對其峰值應(yīng)力的影響。結(jié)果表明,存在一臨界載荷,當(dāng)載荷超過這一臨界載荷時(shí),就會出現(xiàn)應(yīng)力／力增強(qiáng)現(xiàn)象。應(yīng)力增強(qiáng)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(guān)。研究還發(fā)現(xiàn),隨著脈沖載荷強(qiáng)度的增加,應(yīng)力增強(qiáng)現(xiàn)象提前出現(xiàn),甚至出現(xiàn)二次應(yīng)力增強(qiáng)現(xiàn)象。利用二維Voronoi隨機(jī)模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)：矩形脈沖載荷較小