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空心球/Al合金复合材料动态力学性能及损伤破坏特性研究

2020-12-13阅读(831)

空心球/Al合金复合材料动态力学性能及损伤破坏特性研究

论文摘要

空心球/Al合金材料是一种具有低密度、较高屈服强度以及良好缓冲吸能效果的新型复合材料。在工程应用中,该类材料主要用于承受动态载荷。由于材料内部的空心结构以及空心球较高的破坏强度,因此该类材料在动态加载过程中能够吸收较多的能量,有效减少动态载荷带来的危害。因此对该类材料在动态载荷下的力学行为及材料破坏模式的研究具有非常重要的意义。本文针对空心球/2024Al合金和空心球/6061Al合金两种复合材料进行了动态力学性能、缓冲吸能特性、复合材料内部空心球的损伤破碎特性等方面的研究,具体研究内容如下:第一:利用实验室自制的PVDF压电计,对空心球/Al合金复合材料在动态压缩实验中的应力均匀性进行测试以保证实验结果的可靠性;利用分离式霍普金森压杆对空心球/2024Al合金复合材料和空心球/6061Al合金复合材料及其基体合金进行了不同应变率下的动态压缩实验,获取不同加载应变率下空心球/Al合金复合材料及其基体合金的应力应变关系。第二:利用扫描电子显微镜对不同应变率压缩后的回收试样的断口形貌及复合材料内部空心球的破坏情况进行了观察,并对复合材料内部空心球的破坏模式和损伤演化规律进行分析,发现在动态压缩初期沿空心球经线方向产生裂纹,后期逐渐过渡到沿空心球赤道方向产生裂纹并最终崩塌。第三:利用分离式霍普金森压杆对普通开孔泡沫铝材料进行动态压缩实验,比较了相同冲击速度下空心球/Al合金复合材料和泡沫铝材料的能量吸收能力和能量吸收率,发现空心球/Al合金复合材料具有良好的缓冲吸能效果;对由空心球/Al合金复合材料作缓冲层的复合结构的应力波传播特性进行了实验和数值模拟研究。第四:利用ANSYS有限元软件建立了复合材料的单胞模型,并利用LS-DYNA显式有限元分析软件对单胞模型进行动态压缩下的数值模拟,利用数值模拟结果对动态压缩下空心球的损伤模式进行研究,数值模拟结果与扫描电镜结果吻合较好;利用单胞模型构建空心球/Al合金的近似结构模型并进行动态压缩数值模拟,结果发现复合材料内部单个空心球的损伤破坏特性与单胞模型的数值模拟结果基本一致。综上,通过本文的研究获取了空心球/Al合金复合材料动态力学性能、缓冲吸能特性、复合材料变形规律及内部空心球的损伤演化特性,对空心球/Al合金复合材料的工程应用具有一定的参考价值。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 金属基空心球复合材料的性能
  • 1.2.1 物理性能
  • 1.2.2 力学性能
  • 1.2.3 缓冲吸能性能
  • 1.3 空心球/铝合金复合材料概述
  • 1.4 空心球/Al 合金复合材料力学性能研究现状
  • 1.4.1 实验研究
  • 1.4.2 数值模拟研究
  • 1.5 研究现状分析
  • 1.6 本文主要研究内容
  • 第2章 SHPB 实验方法和数值模拟技术
  • 2.1 SHPB 实验原理
  • 2.1.1 基本假设
  • 2.1.2 实验原理
  • 2.2 SHPB 实验数值模拟
  • 2.2.1 材料模型
  • 2.2.2 有限元模型建立
  • 2.2.3 接触刚度控制
  • 2.3 PVDF 应力波测试技术
  • 2.4 本章小结
  • 第3章 空心球/Al 合金复合材料动态力学性能研究及扫描电镜分析
  • 3.1 材料及试样制备
  • 3.2 2024Al 合金和6061Al 合金的动态响应特性
  • 3.2.1 2024Al 合金和6061Al 合金应力应变曲线分析
  • 3.2.2 2024Al 合金和6061Al 合金SHPB 实验数值模拟
  • 3.3 空心球/Al 合金复合材料的动态响应特性
  • 3.3.1 空心球/Al 合金复合材料动态压缩应力均匀性测试
  • 3.3.2 2024Al/6061Al 基空心球复合材料动态压缩实验
  • 3.3.3 空心球/Al 合金复合材料动态压缩应变时程曲线分析
  • 3.4 压缩后试样的扫描电子显微镜分析
  • 3.4.1 扫描电子显微镜工作原理
  • 3.4.2 扫描电镜结果分析
  • 3.4.3 空心球/Al 合金动态压缩变形机理分析
  • 3.5 本章小结
  • 第4章 空心球
  • 4.1 泡沫铝动态压缩应力应变曲线
  • 4.2 空心球/Al 合金复合材料与泡沫铝应力应变曲线对比
  • 4.3 能量吸收特性分析
  • 4.3.1 能量吸收能力
  • 4.3.2 能量吸收率
  • 4.4 空心球/Al 合金复合材料作缓冲层的复合结构应力衰减特性
  • 4.4.1 数值模拟选取材料模型
  • 4.4.2 实验和数值模拟结果分析
  • 4.4.3 金属/空心球复合材料/金属复合结构的应力衰减特性分析
  • 4.5 本章小结
  • 第5章 空心球/Al 合金复合材料动态压缩数值模拟
  • 5.1 模型的建立
  • 5.2 单胞模型尺寸及边界条件
  • 5.3 材料模型
  • 5.4 单胞模型动态压缩数值模拟
  • 5.4.1 空心球损伤演化规律分析
  • 5.4.2 应力三轴度分析
  • 5.5 空心球/Al 合金复合材料动态压缩数值模拟
  • 5.5.1 空心球/2024Al 合金复合材料动态压缩数值模拟结果
  • 5.5.2 空心球/6061Al 合金复合材料动态压缩数值模拟结果
  • 5.6 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
  • 致谢

    • 相关论文文献

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