泡沫金属夹层结构冲击力学性能研究

论文摘要

泡沫金属一般都要与传统的致密金属组成复合构件使用,如板、柱或形状复杂的空心金属构件。这样才能将泡沫金属材料“隐藏”在封闭致密的构件内,并起到一定的抗腐蚀保护的作用。泡沫金属夹层结构就是利用金属平板与泡沫金属组成所谓的“三明治”结构,在充分发挥泡沫材料自身特点的同时解决了其强度低的问题。由于泡沫金属特有的压缩特性,在塑性变形阶段能够吸收较多的能量,因此泡沫金属夹层结构在减震,抗冲击和能量吸收方面的应用有比较广阔的前景。本文采用ANSYS10.0当中的显式动力分析ANSYS/LS DYNA模块模拟研究了子弹冲击泡沫金属夹层板的动态响应并与实验进行了对比,进而验证模型的准确性。模拟时将条件设置于实验状态一致。经理论分析与数值模拟的结果如下：(1)将以上各模拟结果与实验结果进行对比可以看出,模拟结果与实验结果基本吻合。首先在冲击点的反面出现鼓包现象,并且随着冲击能量的增加,下层铝板开裂、至完全崩开。(2)随着子弹穿透速度的增加,子弹的侵彻程度也随着增加。(3)通过模拟结果可以看出：夹层板结构比单纯的金属可以承受更大的冲击力,由此说明了在结构上的优越性因此对泡沫金属夹层板的冲击力学性能进行实验研究并对结果进行有限元模拟,可以为研究抵抗冲击的安全材料和更多的工程设计提供可靠的依据。利用泡沫金属夹层板的模型又拓展模拟了其在汽车保险杠中的应用。汽车保险杠系统的耐撞性在汽车碰撞时起着至关重要的作用。国内外对汽车保险杠的研究也越来越多,许多研究表明,通过合理选用缓冲材料、合理设计缓冲结构,可以有效提高保险杠系统的耐撞性。本文通过模拟简易汽车保险杠的碰撞过程,研究泡沫金属在车用保险杆的使用情况。在所有外部条件都相同的前提下,中间含泡沫金属的保险杠吸收的能量要比普通金属多5倍。泡沫金属夹层结构在实际中的应用还处在研究阶段。因此数值模拟为研究提供了一种方便有效地途径,是研究变得简单易行并且节约资源。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 泡沫金属材料
• 1.1.1 泡沫金属制备
• 1.1.2 泡沫金属的结构
• 1.1.3 泡沫金属的性能
• 1.1.4 泡沫金属的应用
• 1.2 泡沫金属夹层板
• 1.2.1 夹层板的结构组成
• 1.2.2 国内外研究动态
• 1.2.3 泡沫金属夹层板的制备工艺
• 1.2.4 AFS的用途及使用缺陷
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 泡沫金属夹层板的冲击动力学特性
• 2.1 泡沫金属材料结构特征参数
• 2.2 泡沫金属夹层板的力学特性
• 2.2.1 夹层板的力学原理
• 2.2.2 夹层板冲击力学性能
• 2.2.3 夹层板的失效模式
• 2.3 本章小结
• 第三章 泡沫金属夹层板的动态侵彻数值模拟
• 3.1 ANSYS软件简介
• 3.2 数值模拟步骤
• 3.3 有限元模型的建立与数值求解
• 3.3.1 定义单元类型与材料类型
• 3.3.2 基本假设
• 3.3.3 几何建模与网格划分
• 3.3.4 加载与求解
• 3.4 泡沫金属夹层板动态侵彻模拟
• 3.4.1 对照试验模拟
• 3.4.2 纯铝板的冲击模拟
• 3.4.3 不同子弹速度下的侵彻模拟
• 3.4.4 不同泡沫金属密度的侵彻模拟
• 3.4.5 不同形状子弹的侵彻模拟
• 3.5 本章小结
• 第四章 车用泡沫金属夹层板保险杠的碰撞模拟
• 4.1 研究意义
• 4.2 汽车碰撞性能分析的基本方程
• 4.3 汽车有限元模拟
• 4.3.1 简易保险杠模型
• 4.3.2 汽车模型
• 4.3.3 汽车正碰的仿真计算
• 4.3.4 碰撞精度分析
• 4.4 结论
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文