泡沫金属材料连续本构模型与可压缩性塑性力学研究

泡沫铝材料动态本构参数的实验确定丁圆圆;杨黎明;王礼立【摘要】基于泡沫材料的动态刚性-线性硬化塑性-刚性卸载(D-R-LHP-R)模型,结合连续性方程,动量守恒方程及刚体的运动方程,得到了激波在泡沫材料中的量纲-消失位置Xs/L0和动态屈服应力yi、激波波速cp、冲击初始应变ei之间的如下关系式:Xs/L0=exp(-ρ0cpv1/Y)=exp(1-σi/Y)=exp(-ρ0c2pεi/Y) (a)采用Taylor-Hopkinson装置进行实验,当直接测得泡沫铝试样密度ρ0、边界初始应力σi、初始打击速度vi、泡沫铝杆原长L0及激波在泡沫铝杆中消失长度Xs后,利用方程式(a)可反演求得DR-LHP-R模型下的泡沫铝动态应力应变曲线.最后通过与泡沫铝准静态实验数据对比,表明该泡沫铝是应变率敏感性材料.【期刊名称】《爆炸与冲击》【年(卷),期】2015(035)001【总页数】8页(P1-8)【关键词】固体力学;动态力学特性;动态刚性线性硬化塑性-刚性卸载(D-R-LHP-R)模型;泡沫铝;激波【作者】丁圆圆;杨黎明;王礼立【作者单位】宁波大学力学与材料科学研究中心,浙江宁波315211;宁波大学力学与材料科学研究中心,浙江宁波315211;宁波大学力学与材料科学研究中心,浙江宁波315211【正文语种】中文【中图分类】O347泡沫铝材料作为一种泡沫金属材料的典型产品经常被用于轻质吸能材料。

近年来，泡沫铝材料的动态特性研究备受科研工作者的青睐。

V.S.Deshpande等[1]、K.A.Dannemann等[2]、T.Mukai等[3]通过SHPB技术对泡沫铝材料的应变率效应进行了研究。

R.Montanini[4]运用bi-pendulum装置对3类泡沫铝(M-PORE、CYMAT、SCHUNK)进行动态实验，发现拥有开孔结构的M-PORE泡沫材料对应变率不敏感，而拥有闭孔结构的CYMAT和SCHUNK泡沫材料对应变率敏感。

泡沫材料本构模型引言：泡沫材料是一种由气体相和固体相组成的复合材料，其特点是具有轻质、隔热、吸音等优良性能。

为了研究和预测泡沫材料的力学性能，科学家们提出了各种不同的本构模型。

本文将介绍几种常用的泡沫材料本构模型及其特点。

一、线性弹性模型线性弹性模型是最简单也是最常用的泡沫材料本构模型之一。

该模型假设泡沫材料的应力与应变之间存在线性关系，并且满足胡克定律。

根据胡克定律，泡沫材料的应力与应变之间的关系可以用弹性模量来描述。

这种模型适用于小应变范围内的泡沫材料，并且对应力和应变之间的关系进行了简化处理。

二、非线性弹性模型非线性弹性模型是一种更为复杂的泡沫材料本构模型。

相比于线性弹性模型，非线性弹性模型考虑了泡沫材料在大应变范围内的非线性特性。

常见的非线性弹性模型包括Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型等。

这些模型基于实验数据，通过引入不同的参数来描述泡沫材料的应力和应变之间的关系。

非线性弹性模型适用于大应变范围内的泡沫材料的力学行为分析。

三、塑性模型塑性模型是一种更加复杂的泡沫材料本构模型。

塑性模型假设泡沫材料在加载过程中会发生塑性变形，并且材料的应力与应变之间存在非线性关系。

常用的塑性模型包括Mohr-Coulomb塑性模型、Drucker-Prager塑性模型等。

这些模型通过引入塑性应变和塑性势函数来描述泡沫材料的非弹性行为。

塑性模型适用于泡沫材料在加载过程中发生明显塑性变形的情况。

四、损伤模型损伤模型是一种考虑泡沫材料损伤效应的本构模型。

泡沫材料在受力过程中可能会发生损伤，导致强度和刚度的降低。

损伤模型通过引入损伤变量来描述泡沫材料的损伤行为。

常见的损伤模型包括弹性损伤模型、弹塑性损伤模型等。

这些模型可以定量地描述泡沫材料在受力过程中的损伤演化规律。

五、粘弹性模型粘弹性模型是一种综合考虑泡沫材料弹性和粘性特性的本构模型。

泡沫材料在加载过程中既存在弹性变形，也存在粘性变形。

泡沫铝材料抗爆炸冲击问题研究综述摘要：为对泡沫铝材料在抗爆炸冲击方面应用的相关研究有全面的了解，本文从泡沫铝材料抗爆炸冲击问题所涉及到的材料本身动力学特性、材料内部冲击波传播规律和常见的抗爆炸冲击应用的材料结构形式—含泡沫铝的多层结构的抗爆特性三方面出发，对泡沫铝在爆炸冲击作用下的动力学问题的研究现状进行梳理和评价。

研究可为泡沫铝在抗爆炸冲击方面的进一步应用提供有益的借鉴。

关键词：泡沫铝爆炸冲击多层结构1前言泡沫金属材料作为一种含有无序微结构的高孔隙率、低密度的超轻多孔金属材料，具有承载、传热、降噪、电磁屏蔽、减振、吸能等多功能特性。

特别是其在静态和动态载荷下表现出应力平台效应，能吸收大量压缩能量，从而具备优良的缓冲吸能性能，故在军用车辆、舰船以及防护工程结构等防爆炸冲击方面受到广泛的关注。

但在近二十年来对其力学行为所展开的广泛和深入的研究当中，以准静态加载条件下的力学行为研究最为充分，高加载速率、高应变率的动态加载条件下的材料力学行为较为复杂，研究难度也较大。

国内外对泡沫铝材料在爆炸冲击载荷作用下相关问题的研究，主要集中在材料本身的动力学行为（即在冲击作用下，材料变形和失效机制等）和材料内部冲击波的传播两个方面。

本文将从这两方面出发，对泡沫铝在爆炸冲击作用下的动力学问题的研究现状进行梳理，并对其常见应用形式—含泡沫铝的多层结构的抗爆特性展开评述，为泡沫铝在抗爆炸冲击方面的应用提供有益的借鉴。

2爆炸冲击作用下泡沫铝材料动态力学行为研究2.1泡沫铝材料动态应力-应变行为爆炸冲击作用下的泡沫铝材料的动态应力-应变行为的研究主要借助SHPB等试验方法对材料进行动态冲击加载获取相应的应力-应变曲线。

与静态加载条件下的材料应力-应变行为的研究结果不同，泡沫铝动态应力-应变行为的研究，国内外不同学者存在不同的研究结论，甚至是相反的。

大体而言，对于泡沫铝动态压缩力学应力-应变曲线整体特性的描述基本一致，即其应力-应变曲线表现出三个显著的阶段：线弹性区、屈服平台区和致密固化区，这也是高孔隙率泡沫铝材料具有良好吸能特性的原因所在。

闭孔泡沫铝的动态压缩力学性能试验研究泡沫铝作为一种多孔金属材料,相比于传统的金属和有机材料,具有质轻以及更强的吸能能力等优点,使其在交通和航空航天领域被广泛使用。

随着民用建筑抗爆研究的开展,泡沫铝作为吸能材料,逐渐用于减轻爆炸冲击波对建筑主体结构的作用。

为了揭示泡沫铝的减爆作用机理,完善其减爆设计理论与方法,亟需对泡沫铝材料在高应变率下的力学性能进行系统研究。

本文利用实验室的INSTRON高速动力加载系统,开展了闭孔泡沫铝材料在高应变率下的动态压缩力学性能试验研究,主要内容和结论如下:(1)结合以往的试验研究成果制备出合适尺寸的闭孔泡沫铝试件。

对霍普金森压杆(SHPB)试验技术以及直接撞击试验技术的应用进行了总结,并介绍了其试验原理及假定。

对实验室INSTRON高速动力加载系统进行了介绍,并根据试验设备的性能参数和工作原理,通过在作动器中加入一段“刚度足够大的可破坏的”有机玻璃(PMMA)管,可以解决INSTRON在高速压缩过程中存在的减速段问题,使其适用于闭孔泡沫铝的动态压缩试验。

(2)为了研究闭孔泡沫铝高速压缩试验中的惯性效应,采用改进的INSTRON 高速动力加载系统,并利用正向试验和反向试验技术对15、30mm厚的闭孔泡沫铝试件进行试验研究。

结果表明试件越厚,闭孔泡沫铝在高速压缩试验中的惯性效应越明显;在加载速度确定的情况下,通过设计合适的试件厚度,可以消除泡沫铝高速压缩试验中惯性效应的影响。

(3)基于惯性效应试验的研究结果,选用15mm厚的闭孔泡沫铝试件进行了10~1000s-1应变率下的高速压缩试验,并采用吸能效率法处理试验数据。

结果表明在高速压缩下,闭孔泡沫铝的应力-应变曲线与准静态条件相同,具有明显的弹性段、平台段及压实段的3阶段特征。

闭孔泡沫铝的平台应力具有明显的应变率效应,而致密应变在不同的应变率下表现出了不同的变化趋势,初步解释为泡沫铝孔壁塑性变形机制的改变以及波动效应的相互影响。

《泡沫铝合金动态力学性能及其吸能机理的研究》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，新型材料的研究与应用在各个领域中显得尤为重要。

其中，泡沫铝合金作为一种轻质、高强度、且具备良好吸能特性的材料，在汽车、航空航天、建筑等领域有着广泛的应用前景。

本文旨在研究泡沫铝合金的动态力学性能及其吸能机理，以期为相关领域的应用提供理论依据。

二、泡沫铝合金的动态力学性能研究1. 实验材料与方法本研究采用不同密度的泡沫铝合金作为研究对象，通过动态力学测试设备进行实验。

在实验过程中，对泡沫铝合金进行不同速度的冲击，以获取其动态力学性能数据。

2. 实验结果与分析（1）应力-应变曲线分析通过对泡沫铝合金进行动态力学测试，得到其应力-应变曲线。

从曲线中可以看出，泡沫铝合金在受到冲击时，具有较高的能量吸收能力。

在低速冲击下，泡沫铝合金表现出较好的塑性和韧性；而在高速冲击下，其应力-应变曲线呈现出明显的平台效应，表明其具有较好的能量吸收性能。

（2）能量吸收性能分析通过对不同密度、不同速度下的泡沫铝合金进行动态力学测试，发现其能量吸收能力与密度和冲击速度密切相关。

在低速冲击下，密度较高的泡沫铝合金具有更好的能量吸收能力；而在高速冲击下，密度较低的泡沫铝合金则表现出更好的吸能效果。

此外，泡沫铝合金的能量吸收能力还与其内部结构、材料组成等因素有关。

三、泡沫铝合金的吸能机理研究1. 吸能机理概述泡沫铝合金的吸能机理主要与其内部结构、材料组成及冲击过程中的变形行为有关。

在受到冲击时，泡沫铝合金内部的孔洞结构能够产生较大的变形，从而吸收大量的能量。

此外，其材料组成中的合金元素也能提高其强度和韧性，进一步增强其吸能能力。

2. 吸能过程分析在低速冲击下，泡沫铝合金主要通过孔洞的压缩、剪切和屈曲等变形行为来吸收能量。

而在高速冲击下，其吸能过程则更加复杂，涉及到材料的动态响应、能量传递与耗散等多个方面。

此外，泡沫铝合金在吸能过程中还会产生一定的热效应和声发射等现象。

闭孔泡沫铝在动态加载下的压缩力学行为研究闭孔泡沫铝是一种具有优异性能的轻质材料，广泛应用于航天、汽车和建筑等领域。

研究闭孔泡沫铝在动态加载下的压缩力学行为对于优化其设计和应用具有重要意义。

本文通过实验和数值模拟方法，对闭孔泡沫铝在动态压缩加载下的力学行为进行研究。

在实验方面，采用冲击试验机对闭孔泡沫铝样品进行压缩加载。

通过测量样品的应力-应变曲线和变形图像，获得其力学性能和变形特征。

结果显示，闭孔泡沫铝在动态加载下表现出良好的抗压性能和能量吸收能力。

随着冲击速度的增加，闭孔泡沫铝的屈服强度和峰值强度也相应增加，但变形能力减弱。

闭孔泡沫铝在动态加载下呈现出明显的应力平台和后渐失稳特征，说明其具有一定的韧性。

在数值模拟方面，采用有限元方法对闭孔泡沫铝的压缩加载过程进行建模。

通过调整材料参数，得到与实验结果吻合较好的模拟结果。

数值模拟研究还揭示了闭孔泡沫铝在压缩加载过程中的应力分布和变形特征。

研究发现，闭孔泡沫铝的应力集中在孔隙区域附近，而变形主要发生在孔隙区域和壁层之间。

数值模拟结果还揭示了闭孔泡沫铝在动态加载下的失稳现象，为了解其失稳机制提供了重要线索。

闭孔泡沫铝在动态加载下具有良好的力学性能和能量吸收能力。

实验和数值模拟研究揭示了闭孔泡沫铝在动态加载下的压缩力学行为和变形特征，为优化其设计和应用提供了依据。

目前对闭孔泡沫铝在动态加载下的研究还存在一些问题，例如材料参数的确定和非线性效应的考虑。

今后的研究仍需要进一步深入，以更好地理解闭孔泡沫铝在动态加载下的力学行为。

泡沫金属材料可压缩塑性力学有限元计算公式郭瑞平;黄宏燮;范天佑【摘要】介绍了泡沫金属材料可压缩塑性力学的基本理论;并根据该理论模型推导出三维空间情形、平面应力情形、平面应变和轴对称情形的有限元计算公式.从而为用连续本构模型模拟泡沫金属材料的可压缩塑性行为提供了计算依据.%The compressible plasticity of metal foams are discussed so as to deduce the finite element formula in 3-D space state, plane stress plane, plane strain and axial-symmetry state to demonstrate the contribution of the continuum constitutive model, which is helpful to improve understanding of the plastic compressible mechanical response of metal foams.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2011(011)009【总页数】5页(P1897-1901)【关键词】泡沫金属材料;可压缩塑性;连续本构模型;有限元公式【作者】郭瑞平;黄宏燮;范天佑【作者单位】装备指挥技术学院基础部,北京,101416;沈阳军区65053部队五大队,大连,116039;北京理工大学理学院,北京,100081【正文语种】中文【中图分类】O344.2泡沫金属材料具有良好的力学、热学、电学和声学等性质，可用于制造结构材料。

现已广泛应用于汽车工业、航空工业、建筑工业和生物材料等领域［1，2］。

泡沫金属材料同致密材料的根本区别在于它具有大量的亚结构——胞。

胞的存在，使其密度小。

它的密度ρ*与胞壁材料的密度ρs之比(亦称相对密度)例如，Alporas(Al-Ca)泡沫金属的相对密度为胞的效应反映在塑性变形性能上，呈现塑性可压缩性，这点与普通(或经典)塑性不同。