細觀結(jié)構(gòu)對多孔金屬材料力學性能的影響及多目標優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、多孔金屬材料具有輕質(zhì)、高強韌、吸能性能優(yōu)異、高效散熱、隔熱等特性，是一種兼具功能和結(jié)構(gòu)雙重作用的新型工程材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、海洋采油等領(lǐng)域。多孔金屬材料的力學性能與其細觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，研究多孔金屬材料細觀結(jié)構(gòu)與其宏觀力學性能之間的關(guān)系，深入分析材料變形的細觀力學機制并在此基礎(chǔ)上進行材料細觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，對促進多孔金屬材料的設(shè)計開發(fā)和工程應(yīng)用具有重大意義，也是本文工作的主要目的。本文研究了含有細觀結(jié)構(gòu)缺陷的二維蜂窩結(jié)構(gòu)動

2、態(tài)力學行為，對滲流法制備的開孔泡沫金屬進行了細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并進一步探討了多孔金屬材料多目標優(yōu)化設(shè)計的方法。 本文首先對胞壁隨機移除的二維蜂窩結(jié)構(gòu)動態(tài)力學行為進行有限元模擬，研究了不同胞壁移除比的蜂窩結(jié)構(gòu)在動態(tài)沖擊下的變形模式，發(fā)現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)變形模式是由兩種機制，即慣性效應(yīng)引起的變形局部化和缺陷引起的多個變形帶隨機分布(變形分散化)，共同作用所決定的。本文還研究了隨機移除胞壁對蜂窩結(jié)構(gòu)模式轉(zhuǎn)換臨界速度的影響，給出了臨界速度的近似

3、公式。對蜂窩結(jié)構(gòu)平臺應(yīng)力速度效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，當變形模式為過渡模式和動態(tài)模式時，平臺應(yīng)力與沖擊速度的平方成正比。相同密度下，低缺陷蜂窩結(jié)構(gòu)的平臺應(yīng)力在由過渡模式向動態(tài)模式轉(zhuǎn)變的臨界速度附近高于規(guī)則蜂窩結(jié)構(gòu)，較高的隨機缺陷則使蜂窩結(jié)構(gòu)的平臺應(yīng)力在由準靜態(tài)模式向過渡模式轉(zhuǎn)變的臨界速度附近顯著下降。 本文還研究了含隨機固體填充孔蜂窩結(jié)構(gòu)的動態(tài)力學行為。通過對不同孔洞填充比的蜂窩結(jié)構(gòu)動態(tài)變形過程進行有限元模擬，發(fā)現(xiàn)含固體填充孔蜂窩結(jié)構(gòu)與相

4、同密度的規(guī)則蜂窩結(jié)構(gòu)具有相同的變形模式和臨界速度。準靜態(tài)模式下，隨孔洞填充比的增加，蜂窩結(jié)構(gòu)壓縮應(yīng)力顯著下降。蜂窩結(jié)構(gòu)變形為過渡模式或動態(tài)模式時，固體填充孔將導(dǎo)致蜂窩結(jié)構(gòu)沖擊面應(yīng)力出現(xiàn)尖峰，在應(yīng)力尖峰以外的區(qū)域，蜂窩結(jié)構(gòu)壓縮應(yīng)力可通過具有相同壁厚的規(guī)則蜂窩結(jié)構(gòu)平臺應(yīng)力估算。蜂窩結(jié)構(gòu)的平臺應(yīng)力表現(xiàn)出明顯的速度效應(yīng)，與沖擊速度的平方成線性關(guān)系。低速沖擊下，含固體填充孔的蜂窩結(jié)構(gòu)平臺應(yīng)力隨孔洞填充比的增大而顯著降低，隨著沖擊速度的提高，一方面

5、固體填充孔導(dǎo)致蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變曲線中出現(xiàn)應(yīng)力尖峰，提高了蜂窩結(jié)構(gòu)的吸能能力，另一方面含固體填充孔蜂窩結(jié)構(gòu)中的崩塌變形耗散能高于規(guī)則蜂窩結(jié)構(gòu)中的逐層剪切變形耗散能，含固體填充孔蜂窩結(jié)構(gòu)平臺應(yīng)力在較高的沖擊速度下可以比規(guī)則蜂窩結(jié)構(gòu)平臺應(yīng)力提高10％以上。 對滲流法制備開孔泡沫金屬時鹽粒的幾何堆積方式進行了討論，提出了引入二級孔洞，通過細觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計來優(yōu)化泡沫金屬宏觀力學性能的設(shè)想，并設(shè)計了優(yōu)化的三維開孔泡沫金屬絀觀幾何構(gòu)型。建立了球

6、形孔面心立方密排(FCC)堆積的雙重孔徑泡沫金屬單胞有限元模型，并進行了單軸壓縮過程的數(shù)值模擬。計算結(jié)果表明引入二級孔洞的泡沫金屬彈性模量和壓縮強度均明顯高于相同密度的單一孔徑泡沫金屬，通過計算還獲得了使材料性能最優(yōu)的孔徑比。對泡沫金屬壓縮變形機理的分析表明，單一孔徑泡沫金屬變形主要為斜桿的彎曲變形，引入二級孔洞后，更多的實體材料參與變形，泡沫金屬中同時存在胞桿的軸向壓縮與彎曲變形，提高了泡沫金屬的強度，并使材料表現(xiàn)出與單一孔徑泡沫金屬

7、不同的塑性流動特性。對雙重孔徑泡沫金屬的實驗研究驗證了細觀結(jié)構(gòu)設(shè)計對材料性能的優(yōu)化作用，材料彈性模量和屈服強度分別比單一孔徑泡沫金屬提高48％及19％，最優(yōu)的孔徑比和孔洞體積比分別為0.4和0.07～0.1。 本文對單一孔徑和雙重孔徑泡沫金屬的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程進行了有限元模擬，得到不同相對密度和孔徑比的開孔泡沫金屬等效熱傳導(dǎo)系數(shù)。通過最小二乘法獲得了雙重孔徑泡沫金屬的屈服應(yīng)力和隔熱參數(shù)的擬合函數(shù)式，建立了包含強度、隔熱和輕質(zhì)三個目