细观结构对多孔金属材料力学性能的影响及多目标优化设计

论文摘要

多孔金属材料具有轻质、高强韧、吸能性能优异、高效散热、隔热等特性,是一种兼具功能和结构双重作用的新型工程材料,已经广泛应用于航空航天、汽车、海洋采油等领域。多孔金属材料的力学性能与其细观结构密切相关,研究多孔金属材料细观结构与其宏观力学性能之间的关系,深入分析材料变形的细观力学机制并在此基础上进行材料细观结构的优化设计,对促进多孔金属材料的设计开发和工程应用具有重大意义,也是本文工作的主要目的。本文研究了含有细观结构缺陷的二维蜂窝结构动态力学行为,对渗流法制备的开孔泡沫金属进行了细观结构优化设计,并进一步探讨了多孔金属材料多目标优化设计的方法。本文首先对胞壁随机移除的二维蜂窝结构动态力学行为进行有限元模拟,研究了不同胞壁移除比的蜂窝结构在动态冲击下的变形模式,发现蜂窝结构变形模式是由两种机制,即惯性效应引起的变形局部化和缺陷引起的多个变形带随机分布(变形分散化),共同作用所决定的。本文还研究了随机移除胞壁对蜂窝结构模式转换临界速度的影响,给出了临界速度的近似公式。对蜂窝结构平台应力速度效应的研究发现,当变形模式为过渡模式和动态模式时,平台应力与冲击速度的平方成正比。相同密度下,低缺陷蜂窝结构的平台应力在由过渡模式向动态模式转变的临界速度附近高于规则蜂窝结构,较高的随机缺陷则使蜂窝结构的平台应力在由准静态模式向过渡模式转变的临界速度附近显著下降。本文还研究了含随机固体填充孔蜂窝结构的动态力学行为。通过对不同孔洞填充比的蜂窝结构动态变形过程进行有限元模拟,发现含固体填充孔蜂窝结构与相同密度的规则蜂窝结构具有相同的变形模式和临界速度。准静态模式下,随孔洞填充比的增加,蜂窝结构压缩应力显著下降。蜂窝结构变形为过渡模式或动态模式时,固体填充孔将导致蜂窝结构冲击面应力出现尖峰,在应力尖峰以外的区域,蜂窝结构压缩应力可通过具有相同壁厚的规则蜂窝结构平台应力估算。蜂窝结构的平台应力表现出明显的速度效应,与冲击速度的平方成线性关系。低速冲击下,含固体填充孔的蜂窝结构平台应力随孔洞填充比的增大而显著降低,随着冲击速度的提高,一方面固体填充孔导致蜂窝结构应力应变曲线中出现应力尖峰,提高了蜂窝结构的吸能能力,另一方面含固体填充孔蜂窝结构中的崩塌变形耗散能高于规则蜂窝结构中的逐层剪切变形耗散能,含固体填充孔蜂窝结构平台应力在较高的冲击速度下可以比规则蜂窝结构平台应力提高10%以上。对渗流法制备开孔泡沫金属时盐粒的几何堆积方式进行了讨论,提出了引入二级孔洞,通过细观结构的设计来优化泡沫金属宏观力学性能的设想,并设计了优化的三维开孔泡沫金属绌观几何构型。建立了球形孔面心立方密排(FCC)堆积的双重孔径泡沫金属单胞有限元模型,并进行了单轴压缩过程的数值模拟。计算结果表明引入二级孔洞的泡沫金属弹性模量和压缩强度均明显高于相同密度的单一孔径泡沫金属,通过计算还获得了使材料性能最优的孔径比。对泡沫金属压缩变形机理的分析表明,单一孔径泡沫金属变形主要为斜杆的弯曲变形,引入二级孔洞后,更多的实体材料参与变形,泡沫金属中同时存在胞杆的轴向压缩与弯曲变形,提高了泡沫金属的强度,并使材料表现出与单一孔径泡沫金属不同的塑性流动特性。对双重孔径泡沫金属的实验研究验证了细观结构设计对材料性能的优化作用,材料弹性模量和屈服强度分别比单一孔径泡沫金属提高48%及19%,最优的孔径比和孔洞体积比分别为0.4和0.07～0.1。本文对单一孔径和双重孔径泡沫金属的稳态热传导过程进行了有限元模拟,得到不同相对密度和孔径比的开孔泡沫金属等效热传导系数。通过最小二乘法获得了双重孔径泡沫金属的屈服应力和隔热参数的拟合函数式,建立了包含强度、隔热和轻质三个目标函数的多目标优化设计数学模型,在构件质量一定的情况下,采用约束法将多目标优化问题转化为单目标优化问题进行求解,得到满足强度要求,同时使隔热性能最优的泡沫金属细观参数。最后,求得了相同质量的泡沫金属板构件隔热参数—屈服应力关系图,对单一孔径泡沫金属板和双重孔径泡沫金属板性能进行了比较,发现双重孔径泡沫金属板综合性能要显著优于单一孔径泡沫金属板。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 插图目录
• 表格目录
• 第1章 绪论
• 1.1 多孔材料概述
• 1.2 泡沫金属材料的制备
• 1.2.1 泡沫金属制备工艺
• 1.2.2 泡沫金属的缺陷
• 1.3 泡沫金属力学性能研究现状
• 1.3.1 单胞理论模型
• 1.3.2 细观结构对泡沫金属力学性能的影响
• 1.4 泡沫金属材料热性能研究现状
• 1.5 泡沫金属及其复合结构的优化设计
• 1.6 本文工作目的和简介
• 第2章 随机移除胞壁蜂窝结构的动态有限元分析
• 2.1 引言
• 2.2 有限元模型
• 2.3 随机移除胞壁对蜂窝结构动态力学行为的影响
• 2.3.1 变形模式图
• 2.3.2 平台应力的速度效应
• 2.3.3 随机移除胞壁对X1方向平台应力的影响
• 2.3.4 随机移除胞壁对X2方向平台应力的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 随机填充孔蜂窝结构的动态有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 有限元模型
• 3.3 随机填充孔对蜂窝结构动态力学行为的影响
• 3.3.1 变形模式与应力应变曲线
• 3.3.2 平台应力的速度效应
• 3.3.3 固体填充孔对蜂窝结构平台应力的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 双重孔径泡沫金属力学性能
• 4.1 引言
• 4.2 双重孔径泡沫金属的单胞模型
• 4.2.1 双重孔径泡沫金属的几何单胞模型
• 4.2.2 双重孔径泡沫金属的有限元模型
• 4.3 计算结果与分析
• 4.3.1 双重孔径泡沫金属的力学性能
• 4.3.2 变形机理分析
• 4.4 双重孔径泡沫金属的实验研究
• 4.4.1 渗流法制备泡沫金属
• 4.4.2 泡沫金属力学性能
• 4.5 分析与讨论
• 4.5.1 有限元结果与实验结果的比较
• 4.5.2 双重孔径泡沫金属拉伸力学性能的讨论
• 4.5.3 不同孔隙结构下双重孔径优化效果的讨论
• 4.6 本章小结
• 第5章 双重孔径泡沫金属热性能及多目标优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 双重孔径泡沫金属的热性能
• 5.2.1 基本假设
• 5.2.2 有限元模型
• 5.2.3 双重孔径泡沫金属的热性能
• 5.3 双重孔径泡沫金属的多目标优化设计
• 5.3.1 多目标优化问题中的一些基本定义
• 5.3.2 多目标优化设计问题的提出
• 5.3.3 最小二乘法拟合目标函数
• 5.3.4 约束法求解多目标优化设计问题
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 进一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和项目经历