利用Voronoi随机模型研究多孔材料的动态特性

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由于具有良好的力学性能和能量吸收的能力,多孔材料被广泛用于交通、航空航天和包装工业等领域中。压缩时,多孔材料在应力几乎不变的水平下显示出范围较宽的应变段,具有良好的能量吸收能力。同时,多孔材料还具有相对密度低、耐热性和阻燃性等优点。在交通及航空航天应用中,多孔材料常被用于吸收能量、缓冲高速撞击及振动的结构中(包括汽车碰撞、高速铁道车辆前部的吸能器和宇宙飞船的着陆垫等),其结构往往受到爆炸,高速冲击等强动态载荷作用。在包装界多孔材料更是包装吸能材料的首选,它能够吸收与冲击方向无关的较高冲击能量或由于减速而产生的惯性力的能量,避免内含物遭受危险应力的作用。尽管多孔材料具有良好的吸能能力,但是受制备工艺的影响,多孔材料的力学性能并不能得到最佳程度的利用,这也影响其应用前景。为了开发最佳性能的多孔材料,探索微观结构与宏观力学性能的关系,需要建立合适的几何模型和数值模拟方法,这两方面的研究已经引起了许多研究者、多孔材料制造商及工业用户们的浓厚兴趣。因此,从这两方面对多孔材料进行动态特性的研究具有十分重要的科学研究意义和工程应用价值。本文首先建立两种几何模型:一种是随机扰动规则蜂窝模型,另一种是Voronoi随机模型,然后用有限元程序LS—DYNA对Voronoi随机模型进行有限元分析。在x1-x2平面内,用加载板对其进行高速冲击,研究了它的单元数目的敏感性和各向同性性质,研究冲击速度、几何不完整性、相对密度和材料强化性能等对变形模态和能量吸收等的影响。数值模拟结果表明,Voronoi模型对布点个数和布点方式并不敏感(在N大于一定值);平台应力在正交方向性能一致,具有各向同性性质;同时它的变形模态也随不规则度、不均匀度和冲击速度的不同而不同,当k=0、b=0时,在冲击速度比较小的时候,出现“X”、“V”形的局部变形带,在冲击速度比较大的时候,局部变形带并不明显,在冲击面端出现了“I”形的变形;当k=0、k=0.8或k=0.2、k=0时,Voronoi模型的变形并不出现“X”和“V”形的变形,在冲击速度比较小的时候,出现几条局部变形带,在冲击速度比较大的时候,局部变形带并不明显,在冲击面端出现了“I”形的变形;发现在给定相对密度的情况下,多孔材料在某一不规则度k值或某一不均匀度b值的范围内,具有较高的平台应力、密实化应变能等;随机删去部分孔壁,平台应力和密实化应变能减小的比例大于删去孔壁的比例;能量吸收率也是在某一相对密度下具有较高值;材料强化模量越大,平台应力也就越大,它对形状规则的、厚度均匀的Voronoi模型影响较明显,但是对不规则度和不均匀度大的模型的影响并不明显。
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