泡沫铝硅合金动态压缩力学性能及吸能特性实验研究

论文摘要

泡沫金属是一种以金属为基体，内部包含大量孔洞的轻质多孔材料。作为一种功能材料，因具有轻质、高比强度、吸声隔音、吸能和热性能等特性，使得其在汽车、航天航空和建筑等领域得到了广泛的应用，而其中一些应用领域涉及到高速变形或动态冲击载荷作用，如填充泡沫铝的汽车保险杠、采用泡沫金属材料进行吸能防护的航天器以及包装工程等。因此，研究泡沫金属在冲击载荷下的动态特性，为其材料制备和工程应用提供参考，具有较大的科学研究意义和工程应用价值。本文以开孔泡沫铝硅合金为研究对象，根据其物理特性，改进了分离式Hopkinson压杆（Split Hopkinson Pressure Bar，简称SHPB）装置和测试技术，开展了开孔泡沫铝硅合金的动态压缩力学实验，并根据应力波传播的弥散理论，对动态压缩实验结果进行了修正，结合准静态压缩实验的结果，分析了应变和应变率对其力学性能及吸能特性的影响，具体如下：1、针对开孔泡沫铝硅合金的低阻抗特性和Hopkinson压杆基本原理，改进了分离式Hopkinson压杆装置和测试技术，采用LC4超硬铝杆代替钢制压杆，并使用高灵敏度系数的半导体应变片有效地提高了测得的应力波波形的信噪比。同时，利用波形整形技术，保证了动态压缩过程中试件的应力均匀性。利用改进后的实验装置，开展了开孔泡沫铝硅合金的动态压缩力学实验，得到了泡沫铝硅合金不同加载气压下的应力波波形。2、基于应力波传播过程中产生弥散效应的基本理论，利用离散的傅立叶变换的方法，编写了应力波弥散效应程序，且与有限元数值计算结果进行了对比验证，分析了不同圆杆直径和不同加载波形对应力波传播过程中弥散效应的影响。针对实验装置，利用程序对动态压缩实验的应力波形进行了修正，分析了弥散效应对泡沫铝硅合金动态压缩力学性能实验的影响，进一步保证了实验结果的可靠性。3、根据修正后的应力波形，得到了泡沫铝硅合金在不同应变率下应力-应变曲线，结合准静态压缩实验结果，分析了应变和应变率对泡沫铝硅合金动态力学性能和吸能特性的影响。结果表明：应变率对泡沫铝硅合金流动应力有着明显的影响，泡沫铝硅合金是一种优良的吸能材料，为其工程应用提供了参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 泡沫金属材料简介
• 1.2.1 泡沫金属的物理特征参数及基本力学性能
• 1.2.2 泡沫金属的制备方法
• 1.2.3 泡沫金属的应用
• 1.3 泡沫金属的动态力学性能研究现状
• 1.3.1 动态测试实验技术研究概况
• 1.3.2 泡沫铝硅合金力学性能研究状况
• 1.4 存在的问题
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 试件与动态加载技术研究
• 2.1 前言
• 2.2 材料与试件
• 2.3 分离式 Hopkinson 压杆装置及其改进
• 2.3.1 分离式 Hopkinson 压杆原理
• 2.3.2 针对泡沫铝硅合金的分离式 Hopkinson 压杆装置改进
• 2.4 泡沫铝硅合金动态压缩实验波形
• 2.5 本章小结
• 第3章 动态压缩实验应力波的弥散分析
• 3.1 前言
• 3.2 分离式 Hopkinson 压杆中横向惯性引起的弥散效应
• 3.3 弥散效应的程序实现
• 3.3.1 程序结构与流程
• 3.3.2 分离式 Hopkinson 压杆中纵向弹性谐波的理论解
• 3.3.3 波的傅立叶展开和弥散波的重建
• 3.4 分离式 Hopkinson 压杆应力波的弥散数值模拟分析
• 3.5 应力波弥散效应的影响因素分析
• 3.5.1 杆径对圆杆中应力波形的弥散影响分析
• 3.5.2 不同加载应力波形在圆杆中传播的弥散分析
• 3.6 动态压缩实验应力波形的修正
• 3.6.1 压杆试件接触端面应力波形重建
• 3.6.2 弥散效应对实验结果的影响
• 3.7 本章小结
• 第4章 泡沫铝硅合金动态压缩力学性能及吸能特性研究
• 4.1 前言
• 4.2 泡沫铝硅合金应力应变曲线与变形机理分析
• 4.2.1 应力应变曲线
• 4.2.2 应变硬化效应和应变率硬化效应
• 4.3 泡沫铝硅合金吸能特性分析
• 4.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A （攻读学位期间所发表的学术论文目录）