金属空心球材料组元力学性能及结构设计

论文摘要

工业技术、交通运输及航空航天科技的发展对轻质、高强材料的设计和制备提出了更高的要求。金属空心球多孔材料即是在此要求下发展起来的超轻多孔金属材料中的一种类型,对单球和多球组元力学性能的研究是研究金属空心球多孔材料整体力学性能和构成设计的一项十分重要的工作。本文对金属空心球多孔材料的单球、多球组元、金属空心球/环氧树脂复合材料进行了深入的理论分析、实验研究及数值模拟分析。研究金属空心球壳受刚性板压缩的理论结果具有重要意义,本文将球壳分为薄壁壳和中厚壁壳,分别导出了薄壁球壳压缩时的屈曲临界载荷和中厚壁球壳压缩的名义应力-应变关系,并进一步给出了球壳相对厚度的明确划分界限。为进一步研究金属空心球单球压缩性能,本文对由两个半球焊接而成的薄壁金属空心球单球和中厚壁金属空心球单球进行了准静态压缩实验,得出了其屈服/屈曲临界载荷、弹性模量及名义应力-应变关系,同时研究了焊缝摆放位置和焊接出现孔洞等因素对空心球力学性能的影响。多球组元的力学性能是金属空心球多孔材料设计的重要参考,本文设计了多种不同的多球组元堆积形式,分别对其进行了大量的准静态压缩实验,观察了其屈服/屈曲变形规律,并分析了其原因。通过分析载荷-位移曲线和有效应力-应变曲线,讨论了其屈服/屈曲极限、有效弹性模量、比刚度及能量吸收等力学性能,然后讨论了最优的堆积模式。金属空心球复合材料是多孔金属复合材料的一种形式,本文对薄壁金属空心球/环氧树脂复合材料、环氧树脂及复合泡沫材料进行了准静态压缩实验,研究了作为基体材料的环氧树脂和复合泡沫的力学性能,对比分析了复合材料的屈服极限和有效弹性模量。同时,通过改变金属空心球壁厚对三种堆积模式的复合材料进行了数值模拟,分析了其有效弹性模量、有效泊松比的变化规律,提出了复合材料中金属空心球的最佳堆积模式。为了进一步分析得出规律,本文对金属空心球半球壳进行了数值模拟,验证了实验结果,并分析了影响球壳屈曲的相对厚度临界值。通过对多球组元的数值模拟,验证了实验现象,给出了有效弹性模量,分析了三种堆积模式的力学性能。最后,根据理论和实验分析,提出了金属空心球多孔材料的多种构成形式,预测了其压缩过程中的垮塌规律,针对实际中可能的应用,提出了合理的结构设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 多孔金属材料研究现状
• 1.2.1 多孔金属材料的制备
• 1.2.2 金属泡沫材料研究现状
• 1.2.3 点阵/栅格材料及夹芯板研究现状
• 1.2.4 金属空心球结构研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 本文主要研究内容
• 第2章 金属空心球压缩力学性能
• 2.1 壳体的基本概念
• 2.2 壳体的基本方程
• 2.2.1 旋转对称壳体的基本方程
• 2.2.2 旋转对称壳体的屈曲方程
• 2.3 球壳压缩的力学行为
• 2.3.1 薄壁球壳在刚性板压缩下的屈曲
• 2.3.2 中厚球壳在刚性板压缩下的变形
• 2.4 薄壁金属空心球压缩实验
• 2.4.1 压缩实验及数据处理
• 2.4.2 球壳屈曲理论的实验验证
• 2.5 中厚壁金属空心球压缩实验
• 2.6 球壳压缩数值模拟
• 2.6.1 数值计算模型
• 2.6.2 压缩变形形貌
• 2.7 本章小结
• 第3章 多球组元压缩力学性能
• 3.1 薄壁空心球多球组元压缩实验
• 3.1.1 列组元的压缩
• 3.1.2 面组元的压缩
• 3.1.3 四面体堆积组元的压缩
• 3.1.4 三种堆积模式单元的受力分析
• 3.1.5 不同直径两球的对心压缩
• 3.2 薄壁空心球多球组元数值模拟
• 3.2.1 数值计算模型
• 3.2.2 压缩变形形貌
• 3.2.3 力学性能分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 金属空心球复合材料力学性能
• 4.1 环氧树脂和复合泡沫的拉压实验
• 4.1.1 实验过程和数据分析
• 4.1.2 材料的力学性能
• 4.2 金属空心球复合材料的压缩实验
• 4.3 金属空心球复合材料数值模拟分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 金属空心球多孔材料结构设计
• 5.1 对称结构的设计分析
• 5.1.1 单层排列模式设计
• 5.1.2 多层排列模式设计
• 5.2 四面体堆积结构设计
• 5.3 复合材料结构的设计分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介