多孔金屬材料率效應(yīng)的數(shù)值分析與動(dòng)態(tài)壓縮行為的理論研究.pdf

1、多孔金屬材料由于其微結(jié)構(gòu)的特殊性和多樣性，從而具有相當(dāng)優(yōu)異的力學(xué)特性和能量吸收能力。因此，多孔材料作為功能結(jié)構(gòu)材料已在眾多的工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。關(guān)于多孔金屬材料的靜態(tài)及準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)行為已經(jīng)有了大量的研究和系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，而對(duì)其動(dòng)態(tài)力學(xué)行為的研究卻相對(duì)較少。目前文獻(xiàn)中對(duì)泡沫金屬的動(dòng)態(tài)行為和率敏感性效應(yīng)有了較多的實(shí)驗(yàn)研究，但在對(duì)泡沫金屬的應(yīng)變率效應(yīng)和慣性效應(yīng)的相關(guān)認(rèn)識(shí)中，尚存在著一些矛盾的結(jié)果。本論文中，為弄清多孔金屬材料的率效應(yīng)，我們通

2、過(guò)數(shù)值模擬的手段，揭示了慣性效應(yīng)、基體材料的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)泡沫金屬動(dòng)態(tài)力學(xué)行為的影響。另外，為進(jìn)一步理解多孔材料的變形傳播行為，我們還提出了兩種對(duì)應(yīng)于不同變形模式下的理論模型來(lái)說(shuō)明其中出現(xiàn)的沖擊波現(xiàn)象。
　　 利用二維隨機(jī)Voronoi技術(shù)，我們建立了不規(guī)則蜂窩的有限元模型。當(dāng)蜂窩基體材料為彈性理想塑性時(shí)，有限元模擬的結(jié)果表明，蜂窩在不同的沖擊速度之下將會(huì)發(fā)生三種變形模式。當(dāng)沖擊速度比較低時(shí)，蜂窩剪切變形帶隨機(jī)分布，

3、其整體的宏觀變形基本均勻，我們稱之為準(zhǔn)靜態(tài)模式。當(dāng)沖擊速度足夠高時(shí)，蜂窩的胞元幾乎是逐層崩塌，在沖擊面一側(cè)形成很窄的剪切帶，我們稱之為動(dòng)態(tài)模式或沖擊模式。而當(dāng)沖擊速度介于準(zhǔn)靜態(tài)模式和沖擊模式之間時(shí)，蜂窩的剪切變形帶相對(duì)來(lái)說(shuō)集中于沖擊側(cè)，形成較為局部的變形，并在整體上表現(xiàn)出梯度化，此時(shí)我們稱之為過(guò)渡模式。經(jīng)研究表明，當(dāng)改變蜂窩的密度和基體材料的力學(xué)屬性時(shí)，蜂窩仍然會(huì)發(fā)生上述三種變形模式，有所不同的是，對(duì)應(yīng)不同變形模式的臨界沖擊速度將發(fā)生變

4、化。
　　 為了揭示慣性效應(yīng)對(duì)多孔金屬材料力學(xué)行為的影響，我們?nèi)藶榈馗淖兞朔涓C試件基體材料的密度。數(shù)值試驗(yàn)的結(jié)果表明，當(dāng)蜂窩的變形模式處于準(zhǔn)靜態(tài)均勻模式時(shí)，對(duì)于不同的沖擊速度和基體材料密度，試件的名義應(yīng)力應(yīng)變曲線基本上是一致的。因此慣性效應(yīng)并沒(méi)有導(dǎo)致蜂窩應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的應(yīng)變率敏感性。而在過(guò)渡模式和沖擊模式之下，蜂窩平臺(tái)應(yīng)力將隨著沖擊速度的增大而顯著增加。當(dāng)降低蜂窩基體材料的密度時(shí)，三種變形模式之間的臨界速度將明顯提高，相對(duì)來(lái)說(shuō)均勻

5、的變形容易發(fā)生。此時(shí)在過(guò)渡模式和沖擊模式下，蜂窩平臺(tái)應(yīng)力強(qiáng)度的增長(zhǎng)會(huì)明顯減小。由此可知，在中高沖擊速度之下，慣性導(dǎo)致了蜂窩變形出現(xiàn)明顯的局部化，促使平臺(tái)應(yīng)力的提高。因此多孔金屬材料出現(xiàn)的率效應(yīng)主要是由慣性引起的。與此同時(shí)，我們還研究了微慣性的影響，結(jié)果表明蜂窩微慣性的影響相對(duì)來(lái)說(shuō)是可以忽略不計(jì)的。
　　 為了進(jìn)一步認(rèn)清多孔金屬材料的力學(xué)行為，我們還考察了基體材料屬性對(duì)蜂窩動(dòng)態(tài)壓縮響應(yīng)的影響，其中包括基體材料的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)和兩種強(qiáng)

6、度不同的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)?；w材料的應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)變形模式之間的臨界速度影響不大，其引起的增幅大約在10％之內(nèi)，但對(duì)蜂窩的平臺(tái)應(yīng)力會(huì)有所提高。在相同的應(yīng)變率之下，蜂窩平臺(tái)應(yīng)力的相對(duì)增長(zhǎng)要小于蜂窩基體材料屈服應(yīng)力的相對(duì)增長(zhǎng)。不同沖擊速度下的平臺(tái)應(yīng)力的相對(duì)增長(zhǎng)變化基本不大，且隨著沖擊速度的提高有減小的趨勢(shì)。因此相對(duì)于慣性效應(yīng)來(lái)說(shuō)，應(yīng)變率效應(yīng)是可以忽略不計(jì)的。同時(shí)我們也考慮了基體材料應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)對(duì)壓縮行為的影響，相對(duì)于基體材料為彈性理想塑性的蜂窩

7、來(lái)說(shuō)，在不同沖擊速度之下，由應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)引起的平臺(tái)應(yīng)力的相對(duì)增長(zhǎng)大約在5％左右，可見(jiàn)應(yīng)變強(qiáng)化對(duì)蜂窩動(dòng)態(tài)力學(xué)行為的影響是很微弱的。最后關(guān)于不同變形模式之間的臨界速度也做了討論，并且我們也估算了蜂窩在壓縮時(shí)變形傳播的沖擊波波速。
　　 本文還探討了多孔材料在沖擊壓縮時(shí)變形會(huì)出現(xiàn)類似沖擊波傳播的現(xiàn)象。一方面，在眾多的有關(guān)多孔金屬材料高速?zèng)_擊下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)的研究中，都存在著一個(gè)共同的現(xiàn)象，即在試件的壓縮波前處會(huì)出現(xiàn)大約只有一個(gè)胞元寬度

8、大小的不連續(xù)區(qū)域，在此區(qū)域的兩側(cè)，應(yīng)力、應(yīng)變和質(zhì)點(diǎn)速度都有明顯地跳躍。此時(shí)多孔材料試件的沖擊部分逐漸地被壓垮幾乎達(dá)到密實(shí)狀態(tài)。另一方面，當(dāng)多孔材料在中等速度沖擊下，同樣也在試件中壓縮波前處存在一不連續(xù)區(qū)域，此刻多孔材料試件被壓縮部分的名義應(yīng)變會(huì)逐漸變小。為了能更好的解釋這種現(xiàn)象存在的內(nèi)在機(jī)理，基于應(yīng)力波理論中的剛性卸載假設(shè)，對(duì)應(yīng)于上述兩種情況，我們建立了兩個(gè)理論模型，分別為沖擊模式模型和過(guò)渡模式模型。利用模型中沖擊面處的位移連續(xù)條件，我