【摘要】：相對連續(xù)介質(zhì)材料而言,多孔材料一般具有相對密度低、比強度高、比表面積高、重量輕、隔音、隔熱、滲透性好等優(yōu)點。同時,多功能梯度設計可以利用材料的某一方面或者是幾方面的設計特點來達到均勻材料所不具備的性能。而多孔金屬材料作為一種集物理功能與結構一體化的新型工程材料,其優(yōu)越的特性和高孔隙的開放式結構,使其可設計成為密度按照一定規(guī)律分布的多功能梯度結構,滿足服役于各種極端環(huán)境時多功能集成的重大戰(zhàn)略需求。因此,梯度多孔材料引起了學術界和工程界的莫大興趣。近來的研究發(fā)現(xiàn)多孔材料引入梯度后會有著比均勻材料更加優(yōu)越的吸能特性,但不同研究得到的結論存在一些爭議。這說明梯度泡沫的吸能特性并不是一成不變的優(yōu)越于均勻泡沫,因此,并不能籠統(tǒng)地認為梯度材料的力學特性一定優(yōu)于均勻材料,要視實際情況而定,比如壓縮程度,梯度分布,載荷情況等等,這也正是多功能梯度設計的目的之一。目前對密度梯度多孔金屬的抗沖擊特性研究還并不系統(tǒng),強動載荷下層梯度多孔材料的能量分布與能量耗散機理并不是十分清楚;應力波在梯度多孔金屬中的傳播規(guī)律等問題還有待進一步完善。因此,本文開展了以下工作。首先,工作討論了層梯度圓弧蜂窩和Voronoi隨機蜂窩在恒定速度載荷下的變形機理、應力響應和吸能特性�？紤]密度梯度以后,除了慣性效應,不同層的準靜態(tài)屈服強度也是影響變形模態(tài)的一個重要因素,尤其是在中低速撞擊載荷下的變形;當沖擊載荷足夠高時,慣性效應掩蓋了屈服強度的影響成為主導梯度蜂窩變形的唯一因素。沖擊端壓縮應力受沖擊速度和密度梯度的影響,而材料的準靜態(tài)屈服應力以及梯度蜂窩的變形模態(tài)成為影響固定端應力水平的決定性因素。其次,研究發(fā)現(xiàn)基底材料應變強化會影響閉孔泡沫動態(tài)力學性能,為了完善該方面的研究,本文采用了三維Voronoi模型對基底材料應變強化效應進行了較為系統(tǒng)的研究,發(fā)現(xiàn)存在應變強化效應收斂現(xiàn)象。再次,先前研究中用來預測梯度泡沫塑性響應的不同分析模型,主要是從R-P-P-L模型拓展而來,即忽略了泡沫壓縮過程中的應變強化效應,而只考慮平臺應力和自鎖應變(即密實應變)兩個關鍵參數(shù),這與泡沫實際的變形情況有一定的差別。因此,在本文中,為了考慮了應變強化效應,借用非率敏感的剛性-塑性強化模型(R-PH模型)并拓展到連續(xù)梯度泡沫中,得到考慮應變強化的應力波傳播模型。同時,通過控制局部胞元參數(shù)的方法有效地控制密度分布,得到連續(xù)梯度Voronoi隨機泡沫細觀模型。理論分析和有限元結果對比發(fā)現(xiàn)分析模型能夠很好的預測梯度泡沫在恒定速度載荷下的響應,這也為進一步理解梯度泡沫動態(tài)響應機理提供了一種行之有效的方法。
[Abstract]:Compared with continuum materials, porous materials generally have the advantages of low relative density, high specific strength, high specific surface area, light weight, sound insulation, heat insulation, good permeability and so on. At the same time, the multifunctional gradient design can make use of the design characteristics of one aspect or several aspects of the material to achieve the performance that the uniform material does not have. As a new type of engineering material which integrates physical function and structure, porous metal material can be designed as a multi-functional gradient structure with density distribution according to certain law because of its superior characteristics and open structure with high porosity. To meet the major strategic needs of multifunctional integration in various extreme environments. As a result, gradient porous materials have attracted great interest in academia and engineering. Recent studies have found that porous materials with gradient will have better energy absorption characteristics than homogeneous materials, but the conclusions of different studies are controversial. This shows that the energy absorption characteristics of gradient foams are not always superior to those of uniform foams. Therefore, the mechanical properties of gradient materials cannot be generally considered to be superior to those of homogeneous materials, depending on the actual situation, such as the degree of compression. Gradient distribution, load conditions and so on, this is one of the objectives of multifunctional gradient design. At present, the research on the impact resistance of density gradient porous metals is not systematic, and the energy distribution and energy dissipation mechanism of the gradient porous materials under the strong dynamic load are not very clear. The propagation law of stress waves in gradient porous metals needs to be further improved. Therefore, this paper carries out the following work. Firstly, the deformation mechanism, stress response and energy absorption characteristics of layer gradient circular arc honeycomb and Voronoi random honeycomb under constant velocity load are discussed. After considering the density gradient, in addition to the inertia effect, the quasi-static yield strength of different layers is also an important factor affecting the deformation modes, especially in the case of moderate and low velocity impact load, when the impact load is high enough, The inertia effect masked that the effect of yield strength was the only factor leading to the gradient honeycomb deformation. The compressive stress at the impact end is affected by the impact velocity and density gradient, while the quasi-static yield stress of the material and the deformation mode of the gradient honeycomb are the decisive factors affecting the stress level at the fixed end. Secondly, it is found that the dynamic mechanical properties of closed cell foam will be affected by strain strengthening of substrate material. In order to perfect the research, a three dimensional Voronoi model is used to study the strain strengthening effect of substrate material systematically. It is found that the strain strengthening effect converges. Thirdly, the different analytical models used in previous studies to predict the plastic response of gradient foam are mainly extended from the R-P-P-L model, that is, the strain strengthening effect in the process of foam compression is neglected. Only two key parameters of platform stress and self-locking strain (i.e. compaction strain) are considered, which is different from the actual deformation of foam. Therefore, in this paper, in order to consider the strain hardening effect, the non-rate-sensitive rigid-plastic hardening model (R-PH model) is used and extended to the continuous gradient foam, and a stress wave propagation model considering strain strengthening is obtained. At the same time, the continuous gradient Voronoi stochastic foam mesoscopic model is obtained by controlling the density distribution effectively by controlling the local cell parameters. The comparison between theoretical analysis and finite element analysis shows that the analytical model can well predict the response of gradient foam under constant velocity load, which provides an effective method for further understanding the dynamic response mechanism of gradient foam.
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG113.25;TB383.4

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本文編號：2119821