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基于Lagrangian分析法的梯度泡沫金属动态力学行为研究

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高压物理学报 2019年第1期33卷 9-17页

作者：荣誉刘志芳李世强王志华太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所山西太原030024

采用Lagrangian分析法,对梯度泡沫金属在高速冲击下的变形机理和应力响应进行研究。基于3D-Voronoi技术,构建了5种不同密度梯度的泡沫金属细观有限元模型,并进行了高速冲击下的Taylor数值实验,得到不同密度梯度泡沫金属的质点速度分布... 详细信息

采用Lagrangian分析法,对梯度泡沫金属在高速冲击下的变形机理和应力响应进行研究。基于3D-Voronoi技术,构建了5种不同密度梯度的泡沫金属细观有限元模型,并进行了高速冲击下的Taylor数值实验,得到不同密度梯度泡沫金属的质点速度分布规律。采用Lagrangian分析法并结合数值实验结果,研究了高速冲击下密度梯度参数对泡沫金属的局部应变分布、应力分布以及冲击波传播与衰减规律的影响。结果表明:负密度梯度泡沫金属比正密度梯度泡沫金属具有更强的抵抗变形能力,且密度梯度参数越小,变形程度越小;负密度梯度泡沫金属的局部压实应力呈线性减小,最大局部压实应力随着密度梯度参数的减小而增大,在冲击端附近可以承受更大的载荷;正密度梯度泡沫金属的局部压实应力分布呈平台状,其最大局部压实应力小于负密度梯度泡沫金属。

关键词： Lagrangian分析法梯度泡沫金属 3D-Voronoi技术密度梯度参数

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负梯度泡沫金属中的局部密实化现象

高压物理学报 2020年第4期34卷 115-125页

作者：刘冕王根伟宋辉王彬太原理工大学机械与运载工程学院应用力学研究所山西太原030024 材料强度与结构冲击山西省重点实验室山西太原030024 伦敦布鲁内尔大学机械航空工程系伦敦UB83PH英国

基于一维非线性的刚性-塑性硬化模型,研究了在恒速冲击作用下负梯度泡沫的冲击波控制方程和传播特性。采用LS-DYNA有限元软件对三维随机Voronoi技术生成的梯度泡沫金属模型进行数值模拟,验证了理论预测,并定义了冲击波模型下梯度泡沫材... 详细信息

基于一维非线性的刚性-塑性硬化模型,研究了在恒速冲击作用下负梯度泡沫的冲击波控制方程和传播特性。采用LS-DYNA有限元软件对三维随机Voronoi技术生成的梯度泡沫金属模型进行数值模拟,验证了理论预测,并定义了冲击波模型下梯度泡沫材料的局部密实化应变与第二临界速度。通过对冲击速度、密度梯度、相对密度参数的影响研究发现:冲击波模型的理论解与有限元模型的数值解吻合较好,基于R-PH模型的冲击波理论能较好地预测负梯度泡沫金属的力学性能;局部密实化应变在不同冲击速度下存在3个增长阶段;密度梯度绝对值和相对密度越大,局部密实化应变越小,第二临界速度越大。最后讨论了负梯度泡沫中局部密实化现象对支撑端应力的影响。

关键词：梯度泡沫金属冲击波局部密实化应变第二临界速度

梯度泡沫金属力学性能的Lagrangian分析

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梯度泡沫金属力学性能的Lagrangian分析

作者：荣誉太原理工大学

学位级别：硕士

泡沫金属具有优异的比强度和比刚度,良好的缓冲吸能特性以及丰富多变的胞元尺寸和胞元微结构等优点,可以满足某些极端服务环境下的多功能需求,在国防工程、航天航空、高速运载等高新技术领域具有广泛的应用前景。已有研究表明,对泡沫金... 详细信息

泡沫金属具有优异的比强度和比刚度,良好的缓冲吸能特性以及丰富多变的胞元尺寸和胞元微结构等优点,可以满足某些极端服务环境下的多功能需求,在国防工程、航天航空、高速运载等高新技术领域具有广泛的应用前景。已有研究表明,对泡沫金属进行梯度化设计可以有效缓解界面之间的剪应力从而降低结构的损伤破坏程度,提高其抗冲击能力。泡沫金属的梯度化设计方式可分为连续梯度和分层梯度两种,其中连续梯度分布能有效避免其阻抗不匹配,同时保证结构整体性能,从而提高了结构的抗冲击性能。因此,梯度泡沫金属引起了学术界和工程界的广泛关注,并已取得了一定的研究成果,但关于强动载荷下梯度泡沫金属力学行为的研究还有待进一步完善。论文以梯度泡沫金属为研究对象,基于3D-Voronoi技术构建了梯度泡沫金属的细观有限元模型,采用Lagrangian分析法和数值模拟相结合的方法,研究了梯度泡沫金属在高速冲击下的力学响应和能量吸收。具体研究内容与结论如下:（1）构建了泡沫金属的细观有限元模型并进行了Taylor数值实验。提出了一种通过改变局部胞元数量来控制局部相对密度的方法,结合3D-Voronoi技术构建了5种密度梯度泡沫金属的细观有限元模型。开展了高速冲击下梯度泡沫金属的Taylor数值实验,给出了密度梯度泡沫金属的质点速度分布及其衰减规律。（2）采用Lagrangian分析法并结合数值实验结果,研究了梯度泡沫金属中冲击波速与强度、局部应变和应力、局部压实应变和应力、动态初始压溃应力以及局部能量吸收的变化规律,分析了冲击模式和过渡模式下影响梯度泡沫金属局部压实应变和应力的主要因素,并讨论了梯度泡沫金属压实应变、整体能量吸收以及上述物理量与密度梯度参数之间的关系。（3）负密度梯度泡沫金属比正密度梯度泡沫金属具有更强的抵抗变形能力,且密度梯度参数越小,变形程度越小;负密度梯度泡沫金属的局部压实应力分布和局部能量吸收分布为线性减小,最大局部压实应力和最大局部能量吸收随着密度梯度参数的减小而增大,在冲击端附近可以承受更大的载荷和吸收更多的能量;正密度梯度泡沫金属比负密度梯度泡沫金属具有更好的能量吸收性能,整体能量吸收随着密度梯度参数的增大而增大;正密度梯度泡沫金属的局部压实应力和局部能量吸收均呈现三个上升的平台,上升梯度随着密度梯度参数的减小而减小,最大局部压实应力小于负密度梯度泡沫金属,且随密度梯度参数的变化不明显。

关键词： Lagrangian分析法梯度泡沫金属 3D-Voronoi技术密度梯度参数力学响应能量吸收

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梯度泡沫金属圆板的弯曲和过屈曲分析

梯度泡沫金属圆板的弯曲和过屈曲分析

作者：张璐兰州理工大学

学位级别：硕士

本文研究了梯度泡沫金属圆板在两种典型密度分布方式(沿厚度方向和沿径向分布)下的弯曲和过屈曲问题。主要的工作：一、当密度沿板厚度方向呈梯度变化时,研究了梯度泡沫金属圆板的线性和非线性力学行为。1建立了密度沿厚度方向分布的两... 详细信息

本文研究了梯度泡沫金属圆板在两种典型密度分布方式(沿厚度方向和沿径向分布)下的弯曲和过屈曲问题。主要的工作：一、当密度沿板厚度方向呈梯度变化时,研究了梯度泡沫金属圆板的线性和非线性力学行为。1建立了密度沿厚度方向分布的两种典型密度梯度模型。2线性问题。首先基于一阶剪切变形板理论,导出了均布载荷作用下,梯度泡沫金属圆板轴对称弯曲问题的控制方程。直接求解该控制方程,获得了此问题的解析解。具体分析了边缘径向夹紧和简支两种条件下,密度梯度指标和外载荷对板轴对称弯曲行为的影响。然后,基于经典板理论,分析了径向压力作用下梯度泡沫金属圆板的轴对称屈曲问题。利用打靶法求得了圆板的临界载荷,并分析了材料的梯度性质和边界条件对板的临界载荷的影响。3非线性问题。基于经典板理论,分别导出了梯度泡沫金属圆板轴对称大挠度弯曲和过屈曲问题的控制方程。采用打靶法获得了板的弯曲和过屈曲路径,并利用数值结果研究了材料的梯度性质、外载荷和边界条件等因素对板非线性力学行为的影响。二、首先建立了密度沿半径方向呈梯度变化时的两种典型密度梯度模型。然后,在非线性经典板理论框架下,分别研究了外载荷作用下梯度泡沫金属圆板的大挠度弯曲和过屈曲问题。采用打靶法获得了板的弯曲和过屈曲路径,并利用数值结果研究了材料的梯度性质、外载荷和边界条件等因素对板非线性力学行为的影响。

关键词：梯度泡沫金属密度梯度模型打靶法过屈曲弯曲

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冲击载荷下梯度泡沫金属的力学性能研究

冲击载荷下梯度泡沫金属的力学性能研究

作者：刘冕太原理工大学

学位级别：硕士

泡沫金属具有比强度高、比刚度高、孔隙率大、可变形量大和吸能效果好等特性,可作为能量吸收、抗冲击和减振的防护结构应用于汽车、航空航天、军事防护等领域。为了提高泡沫材料的力学性能,一些学者提出了将泡沫密度梯度化以实现多目标... 详细信息

泡沫金属具有比强度高、比刚度高、孔隙率大、可变形量大和吸能效果好等特性,可作为能量吸收、抗冲击和减振的防护结构应用于汽车、航空航天、军事防护等领域。为了提高泡沫材料的力学性能,一些学者提出了将泡沫密度梯度化以实现多目标优化设计的思路。然而,目前关于梯度泡沫金属在冲击载荷下的力学响应研究还不充分,对泡沫材料缓冲吸能等特性的研究也不够深入。本文采用有限元数值模拟的方法,研究了不同梯度泡沫结构在动态冲击载荷作用下的力学性能和能量吸收能力。主要的研究内容如下:（1）基于一维非线性刚性-塑性硬化（Rigid,plastic-hardening,R-PH）模型,研究了在恒速冲击作用下层状负梯度泡沫的冲击波控制方程和传播特性。采用LS-DYNA有限元软件对三维随机Voronoi技术生成的梯度泡沫金属模型进行数值模拟,验证了理论预测,并定义了冲击波模型下梯度泡沫中的局部密实化应变与第二临界速度。通过对冲击速度、密度梯度、相对密度等参数的影响研究发现,冲击波模型的理论解与有限元模型的数值解吻合较好,基于R-PH模型的冲击波理论能较好地预测层状负梯度泡沫金属的力学性能;局部密实化应变在不同冲击速度下存在3个增长阶段;密度梯度绝对值和相对密度越大,局部密实化应变越小,第二临界速度越大,能量吸收能力越好。（2）参照层状密度梯度泡沫模型实现方法,利用3D-Voronoi技术设计了新型径向密度梯度泡沫模型,使用有限元软件对梯度泡沫在不同冲击载荷下的力学性能进行数值模拟。通过研究冲击速度、密度梯度和平均相对密度对金属泡沫冲击端应力、支撑端应力和能量吸收能力的影响,发现:径向正梯度泡沫与层状正、负梯度泡沫相比,其两端的应力值均较小,可同时保护冲击端、支撑端物体;径向负梯度泡沫两端应力变化幅度较小,能够保证物体受力稳定;几种泡沫金属的能量吸收能力在不同冲击速度下发生交替变化。对于径向梯度泡沫,能量吸收能力对密度梯度大小不敏感,对梯度方向敏感;径向负梯度泡沫的能量吸收能力始终大于径向正梯度泡沫;平均相对密度越大,径向正、负梯度泡沫两端应力越大、吸能效果越好。（3）通过对泡沫材料进行钻孔处理,获得了钻孔均匀泡沫模型,同时借助径向梯度泡沫模型设计思路,得到了不同径向密度梯度下的钻孔泡沫模型。利用有限元软件对钻孔泡沫金属进行动态压缩模拟,得到了不同加载方向上钻孔泡沫材料的变形特点及应力-应变曲线,分析了密度梯度对钻孔泡沫力学性能与能量吸收能力的影响。结果表明,径向压缩泡沫时,钻孔的存在改变了泡沫的变形特点及力学性能,钻孔泡沫两端的应力值减小,冲击端的应力-应变曲线存在下凹趋势,能量吸收能力减弱。轴向压缩泡沫时,钻孔泡沫与均匀泡沫的变形特点及力学性能相近。径向压缩泡沫时,梯度的存在改变了钻孔泡沫的变形特点,钻孔径向正梯度泡沫拥有较小的应力值和能量吸收值;钻孔径向负梯度两端的应力值较大,能量吸收能力较强。

关键词：梯度泡沫金属 3D-Voronoi技术密度梯度相对密度能量吸收能力

三轴加载条件下梯度泡沫金属的破坏力学性能研究

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三轴加载条件下梯度泡沫金属的破坏力学性能研究

作者：刘希文南华大学

学位级别：硕士

泡沫金属作为一种被广泛使用的多功能材料,在实际的工程应用当中往往会承受多轴加载的复杂工况和应力状态,然而缺乏在多轴加载条件下泡沫金属的破坏数据,破坏准则仍然存在争议,细观结构参数对于其破坏面的表征和破坏机理的研究尚不明确... 详细信息

泡沫金属作为一种被广泛使用的多功能材料,在实际的工程应用当中往往会承受多轴加载的复杂工况和应力状态,然而缺乏在多轴加载条件下泡沫金属的破坏数据,破坏准则仍然存在争议,细观结构参数对于其破坏面的表征和破坏机理的研究尚不明确。本文基于尺寸不规则度梯度分布的细观结构3D Voronoi闭孔泡沫铝模型进行了三轴等比例加载的数值模拟实验,研究了尺寸不规则度梯度分布泡沫金属在三轴加载条件下的破坏变形特征和破坏机理,并对其应力破坏面和应变破坏面分别进行了合理表征。具体包括:（1）提出尺寸不规则度梯度泡沫金属单轴压缩应力强化阶段应力-应变函数的表征方法。证明了尺寸不规则度梯度分布引起的相对密度空间分布是影响梯度泡沫金属单轴压缩强化阶段的主要因素;应力强化阶段细观结构呈现从大胞孔到小胞孔逐层压溃的变形特征;基于以上的变形机理,表征了强化阶段应力-应变关系的理论函数。（2）探究在不同冲击速度下形状不规则度梯度组合泡沫金属的变形、荷载-位移和能量吸收特性的影响。结果表明冲击速率仅在临界速度范围内时对形状不规则度梯度组合模型的力学性能存在明显影响,沿着冲击方向形状不规则度从小到大梯度组合的模型具有最优的能量吸收能力。（3）开展了三轴等比例加载数值仿真实验,发现尺寸不规则度梯度泡沫金属的细观结构破坏模式主要有三类:拉伸断裂破坏、屈曲破坏以及混合破坏,提出适用于泡沫金属多轴加载的破坏判据,以首个峰值应力作为破坏判据对大量材料具有普适性。（4）在应力（或应变）平面和主应力（或主应变）空间分别对尺寸不规则度梯度泡沫金属的破坏面进行表征。主应力在梯度方向的应力破坏面小于非梯度方向,参数归一化可以消除各向异性的影响;归一化的破坏面在应力平面内近似抛物线,且受尺寸不规则度梯度参数的影响很小;归一化的破坏面在三维主应力空间内近似椭球面,不同的Lode角对破坏面的拟合有一定影响。在应变平面内和主应变空间中对各向异性的梯度泡沫金属的破坏面表征不适用。

关键词：梯度泡沫金属细观结构破坏面三轴加载动态冲击

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双轴加载条件下梯度泡沫金属的破坏性能研究

双轴加载条件下梯度泡沫金属的破坏性能研究

作者：谢帅南华大学

学位级别：硕士

泡沫金属作为一种应用广泛的新型多功能材料,具有质轻、比强度高、比刚度大、吸声、减震吸能等优良性能,在航空航天、建筑、交通运输等方面有着广阔的应用前景。泡沫金属在工程应用时往往承受多轴加载工况,发生破坏断裂行为。然而,多轴... 详细信息

泡沫金属作为一种应用广泛的新型多功能材料,具有质轻、比强度高、比刚度大、吸声、减震吸能等优良性能,在航空航天、建筑、交通运输等方面有着广阔的应用前景。泡沫金属在工程应用时往往承受多轴加载工况,发生破坏断裂行为。然而,多轴条件下泡沫金属的细观结构参数对其破坏面表征和破坏机理研究尚属空白。针对该科学问题,本文开展双轴等比例加载数值模拟仿真实验,研究尺寸不规则度连续梯度分布的各向异性模型的破坏行为,定量研究尺寸不规则度梯度参数对其破坏面的影响。具体包括:（1）建立尺寸不规则度连续梯度变化的泡沫金属有限元模型并验证其合理性。发展尺寸不规则度参数连续梯度变化的3D Voronoi模型建模方法;分析模型不规则度参数概率统计和空间分布特性;基于单轴试验验证模型的合理性。（2）研究不规则度参数对泡沫金属单轴压缩和单轴拉伸力学性能的影响。单轴压缩力学性能受形状不规则度的概率分布和尺寸不规则度的空间分布参数显著影响,不受尺寸不规则度概率分布影响;因细观结构局部变形显著,单轴拉伸力学性能受形状不规则度概率分布、尺寸不规则度空间分布和概率分布参数的影响;单轴压缩峰值应和平台应力、单轴拉伸屈服应力和拉伸强度均与尺寸不规则度梯度参数呈抛物线函数关系。（3）提出适合多轴加载条件下各向异性泡沫金属的初始破坏判据:各方向的轴向应力、Mises等效应力和静水压应力这几个应力中最早出现峰值特征的时刻。（4）开展双轴加载数值模拟实验,研究尺寸不规则度连续梯度变化的泡沫金属破坏面特性。在应力平面内表征破坏面,包含梯度方向的原始破坏面比不包含梯度的破坏面小,说明梯度结构更容易破坏;采用各个轴单轴加载破坏强度的差异和破坏面的拉伸压缩不对称性,提出采用对应轴的单轴拉伸和压缩破坏应力双参数归一化的方法,发现归一化后的破坏面不受各向异性和梯度参数的影响,且近似椭圆形。在应变平面内,研究了梯度参数对破坏面特性的影响。本文的研究有助于泡沫金属及其复合结构的优化设计。

关键词：梯度泡沫金属破坏面双轴加载细观结构各向异性

基于3D Voronoi模型形状不规则度组合梯度泡沫金属的动态冲击力学性能研究

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南华大学学报（自然科学版） 2021年第1期35卷 24-31页

作者：胡和平刘希文张晓阳孙耀威南华大学土木工程学院湖南衡阳421001 南华大学计算机学院湖南衡阳421001

泡沫金属的力学性能与其细观结构参数密切相关。四个形状不规则度参数梯度组合的3D Voronoi结构模型被用于开展动态冲击数值仿真实验,探究不同冲击速度下形状不规则度梯度组合类型对泡沫金属的变形特性、荷载-位移和能量吸收特性的影响... 详细信息

泡沫金属的力学性能与其细观结构参数密切相关。四个形状不规则度参数梯度组合的3D Voronoi结构模型被用于开展动态冲击数值仿真实验,探究不同冲击速度下形状不规则度梯度组合类型对泡沫金属的变形特性、荷载-位移和能量吸收特性的影响。结果表明,冲击速率仅在临界速度范围内时对形状不规则度梯度组合模型的力学性能有明显影响,沿着冲击方向形状不规则度从小到大梯度组合的模型具有最优的能量吸收能力。

关键词： 3D Voronoi模型梯度泡沫金属形状不规则度能量吸收

冲击载荷下径向密度排布对泡沫金属力学性能影响的研究

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爆炸与冲击 2020年第7期40卷 1-13页

作者：王根伟刘冕宋辉王彬太原理工大学机械与运载工程学院应用力学研究所山西太原030024 太原理工大学材料强度与结构冲击山西省重点实验室山西太原030024 伦敦布鲁内尔大学机械航空工程系英国伦敦UB83PH

参照层状密度梯度泡沫模型实现方法,利用3D-Voronoi技术设计了新型径向密度梯度泡沫模型,并用有限元软件,对它在不同冲击载荷下的力学行为进行数值模拟。研究冲击速度、密度梯度和平均相对密度对金属泡沫冲击端、支撑端应力和能量吸收... 详细信息

参照层状密度梯度泡沫模型实现方法,利用3D-Voronoi技术设计了新型径向密度梯度泡沫模型,并用有限元软件,对它在不同冲击载荷下的力学行为进行数值模拟。研究冲击速度、密度梯度和平均相对密度对金属泡沫冲击端、支撑端应力和能量吸收能力的影响,发现:径向正梯度泡沫与层状正、负梯度泡沫相比,其两端的应力值均较小,可同时保护冲击端、支撑端物体;径向负梯度泡沫两端应力变化幅度较小,能够保证物体受力稳定;几种泡沫金属的能量吸收能力在不同冲击速度下发生交替变化。对于径向梯度泡沫,能量吸收能力对密度梯度大小不敏感,对梯度方向敏感,径向负梯度泡沫的能量吸收能力始终大于径向正梯度泡沫;平均相对密度越大,径向正、负梯度泡沫两端应力越大、吸能效果越好。

关键词：梯度泡沫金属 3D-Voronoi技术密度梯度参数能量吸收