闭孔泡沫铝压缩力学性能的实验和三维有限元模拟

基于X射线电子计算机断层扫描技术,建立了反映闭孔泡沫铝真实结构的三维有限元模型.对闭孔泡沫铝准静态和动态压缩力学性能进行了实验和数值模拟,分析了闭孔泡沫铝的变形特性及力学性能,验证了模型的可靠性.结果表明,准静态压缩下,试件主要沿加载轴45°方向产生塑性变形.压缩速率为低速时,其变形模式与准静态相同.闭孔泡沫铝试件截面上结构薄弱处首先出现应力集中,材料达到塑性屈服.在高速压缩下,试件加载端首先达到塑性屈服.比较闭孔泡沫铝不同应变率下的屈服强度,动态压缩下的屈服强度远高于准静态压缩下的.应变率280~700 s-1下,其屈服强度变化不明显,应变率继续升高至2 000 s-1,屈服强度略微提高.      

轴向变密度铝泡沫件的动态和静态压缩实验与有限元模拟分析

针对工程中常见的厚度方向变密度的闭孔铝泡沫材料,该文通过动态和静态压缩实验与模拟分析,探讨了大尺度变密度铝泡沫部件变形与吸能特性分析的有限元模型构建方法。对变密度铝泡沫大试样的准静态压缩和冲击压缩实验研究表明:厚度方向变密度铝泡沫材料的压缩过程呈现从低密度层开始的逐层屈服变形伴随整体变形的特性,与密度均匀的铝泡沫材料的变形特性显著不同。该文建立了变密度铝泡沫大试样的分层变密度变尺度有限元模型和近似的密度和尺度均匀的有限元模型,计算结果对比分析表明:分层变密度变尺度有限元模型能够模拟实际材料的逐层屈服变形特性,计算的试样准静态和冲击压缩变形与吸能特性等与实验结果相符;而基于均匀模型的计算结果则不能模拟逐层变形特性,与实验结果及理论特性明显不相符。分层变密度变尺度有限元模型的单元尺度会影响逐层屈服变形特性模拟结果,基于单元尺度接近实际铝泡沫材料胞元尺度的分层有限元模型的计算结果与实验结果一致性较好。这些研究结果对各种结构的铝泡沫材料应用研究具有重要意义。     

闭孔泡沫铝应变率效应的试验和有限元分析

通过对具有不同孔隙率的闭孔泡沫铝在不同应变率下的动态压缩试验和数值模拟,研究了泡沫铝的应变率敏感性.结果表明:在准静态(0.001s-1)至2500s-1的应变率范围内,具有相同孔隙率的泡沫铝的静、动态单轴压缩变形模式相似,而具有不同孔隙率的泡沫铝的压缩变形模式则存在差异,高孔隙率和低孔隙率泡沫铝的应变率敏感性明显不同;基体材料的应变率敏感性决定了泡沫铝的应变率敏感性;微惯性、波效应和孔内气体压力对泡沫铝的平台应力不产生明显影响.     

不同密度泡沫铝的静动态压缩力学性能

采用电液伺服万能试验机和改进SHPB直接撞击系统对不同密度梯度泡沫铝进行了准静态和动态压缩试验,获得了3种相对密度泡沫铝在不同应变率下的单轴压缩应力-应变曲线,分析了相对密度和应变率对泡沫铝力学性能、吸能特性的影响。结果表明：在同一种应变率下,随着相对密度的增加,泡沫铝弹性阶段屈服应力和平台应力显著提升,而致密应变则会提前。相对密度高的泡沫铝其单位体积吸收能量越多,两者呈现正相关性;相对密度低的泡沫铝其吸能效率越大,两者呈现负相关性。随着应变率的增加,泡沫铝单位体积吸收能量逐渐提高,吸能效率变化不大。     

闭孔泡沫铝准静态压缩试验及吸能特性研究

为研究闭孔泡沫铝厚度及密度变化对其静态力学性能和吸能特性影响,采用液压式WE-1000万能试验机对其进行静态压缩试验.结果表明:泡沫铝厚度由50 mm增加到100 mm,致密化应变和能量吸收分别增长10％～28％、30％～50％,而弹性模量和平台应力基本保持不变;闭孔泡沫铝的密度从0.35 g/cm3增加到0.65 g...     

闭孔泡沫铝特征统计及其变形行为实验研究

以椭圆拟合长方体闭孔多边形泡沫铝表面孔截面,运用统计学的方法研究了泡沫铝试件表面孔的大小、形状和方位等分布特征.统计结果表明:上述孔的各项几何特征参数除方位外服从高斯分布. 应用图像处理技术,获取了单轴压缩变形前后泡沫铝试件的表面图像.利用序列数字图像相关方法对泡沫纯铝变形前后的图像进行相关计算,获得了静态单向压缩条件下闭孔泡沫铝材料表面全场变形及局部孔结构的变形,同时根据试验结果计算了试件的名义应力-应变曲线,给出了压缩过程中孔壁的失效顺序和破坏规律.对块体材料的压缩实验表明,泡沫纯铝是以多个断裂带的形式破坏和吸收能量.     

悬臂闭孔泡沫铝板的非线性振动实验研究

为了研究闭孔泡沫铝板的非线性振动特性,首先采用电子散斑干涉技术对3个孔隙率相同的悬臂闭孔泡沫铝板共振模态进行了测量,获得了前14阶离面共振激励频率和相应的模态振型,并基于欧拉-伯努利梁模型及1阶弯振频率测量值计算得到闭孔泡沫铝的动态弹性模量.然后对相同孔隙率的闭孔泡沫铝静态单轴压缩力学行为进行了实验研究,测得了其静态压缩弹性模量.实验结果表明:由于闭孔泡沫铝存在大量不规则孔洞结构,导致其振动响应具有明显的非线性,表现为同一振动模态对应于数个谐振激励频率,是典型的超谐振.另外,基于振动分析得到的泡沫铝动态弹性模量是静态压缩弹性模量值的2倍多,这与泡沫铝是拉压双弹性模量材料有关.     

粉煤灰/聚氨酯复合泡沫的力学响应

以粉煤灰漂珠为填充物、聚氨酯为粘结剂制备了一种价格低廉的新型复合泡沫。基于准静态压缩实验,研究了密度和漂珠粒径两个因素分别对普通复合泡沫和含增强相复合泡沫的力学性能影响规律。结果表明：对于普通复合泡沫,当相对密度低于0.29时,漂珠粒径对复合泡沫的力学性能几乎不产生影响;当相对密度高于0.29时,含粒径较大漂珠的复合泡沫具有更好的力学性能;对于含增强相的复合泡沫,含较小粒径漂珠的复合泡沫力学响应有显著提高,且蜂窝铝对小粒径漂珠复合泡沫有额外增强作用。     

泡沫填充混凝土的准静态压缩本构模型

泡沫填充混凝土(FFC)有望成为工程材料拦阻系统(EMAS)的新型拦阻材料,针对其准静态压缩力学性能进行研究,制作了6种不同聚苯乙烯泡沫(EPS)掺量(以体积分数计)的FFC试件进行准静态压缩实验.通过对实验数据的分析,对材料的应力-应变曲线进行分段拟合,建立了拟合参数与EPS掺量的关系,进而建立了FFC材料的准静态压缩本构模型.结果表明:FFC材料准静态压缩应力-应变曲线可分为3个阶段,即弹性段、塑性平台段和密实段;FFC抗压强度随EPS掺量增大而降低;本构模型与实验结果吻合较好,能较为准确地描述不同EPS掺量FFC材料的压缩力学性能.     

粉末冶金泡沫铝发泡参数及准静态压缩性能

利用粉末冶金法成功制备出不同表观密度的铝基泡沫材料,详细探讨了发泡工艺参数对泡孔结构和膨胀行为的影响.结果显示:前驱体自身温度变化分为线性快速升温、温度恒定和快速冷却三个阶段,发泡炉温的选择取决于线性快速升温阶段;比较不同发泡时间的泡孔结构和膨胀行为,可以得出最佳发泡时间和膨胀率分别为120 s和434%;前驱体预热对前驱体升温速率影响不大,但是可以缩短发泡时间.准静态压缩实验结果显示:铝基泡沫材料坍塌阶段的应力没有明显的波动,压缩强度、弹性模量以及压实应变都随着表观密度的增加而增加.     

闭孔泡沫铝准静态压缩试验的有限元仿真

根据泡沫铝孔洞的结构特点,建立了单一孔十八面体力学框架模型,进而组建泡沫铝力学矩阵模型。通过有限元分析软件对其进行纵向加载准静态模拟仿真试验,得到了力学矩阵模型的应力分布图、位移与变形分布图以及应力-应变曲线。将仿真试验得到的应力-应变曲线分为4个阶段,分析了各阶段的产生过程和力学原理,得到泡沫铝纵向准静态压缩时的力学相关性能,为进一步实体试验和工程应用提供了技术参考。     

轧制制度对闭孔泡沫铝材料塑性的影响

研究了采用熔体发泡法制备的闭孔泡沫铝材料的轧制过程,分析了不同道次压下量条件下泡沫铝的变形特点与破坏方式,探讨了影响泡沫铝轧制能力的主要因素.结果表明:闭孔泡沫铝的轧制应遵循多道次、小变形的原则.道次压下量为0.1 mm时,Si质量分数为12%的泡沫铝(厚度约11 mm)经10道次变形后可实现1 mm的总变形量.道次压下量过大时泡沫铝的破坏方式为典型的脆性断裂,适宜的压下量则有利于发挥泡沫铝良好的吸能性,但小变形时易出现弯曲而使材料最终发生剪切破坏.提高泡沫铝轧制能力的具体方法为降低基体中的Si含量,提高材料组织性能的均一性,轧制工艺中采用适宜的道次压下量和较低的轧制速度.     

Shape formation of closed-cell aluminum foam in solid–liquid–gas coexisting state

The mold pressing process was applied to investigate the formability of closed-cell aluminum foam in solid–liquid–gas coexisting state. Results show that the shape formation of closed-cell aluminum foam in the solid–liquid–gas coexisting state was realized through cell wall deformation and cell movement caused by primary α-Al grains that slid, rotated, deformed, and ripened within cell walls. During formation, characteristic parameters of closed-cell aluminum foam were almost unchanged. Under proper forming conditions, shaped products of closed-cell aluminum foam could be fabricated through mold pressing.     

利用数字图像处理技术研究泡沫铝的变形特性

采用数字图像处理技术,结合一些数据处理方法量化图片信息,分析了长方体泡沫铝试件在准静态压缩条件下的即时相对密度变化和纵截面孔隙率分布及变化情况.用该方法得到的即时相对密度具有一定的稳定性,且与前期工作的结果相吻合;加载时,随着应变的增加,纵截面各部分的孔隙率都减少,变形发生在整个试件中,但整个纵截面上的孔隙率变化不均匀,上下两端孔隙率的变化率要低于中部,这主要与加载平台对试件两端的约束有关;随着应变的增加,孔隙率的变化率在整个纵截面上趋于均匀.     

泡沫铝材料的一维粘塑性本构关系

通过对不同初始密度的泡沫铝进行准静态压缩和动态冲击试验,得到了泡沫铝材料在中低应变率下的力学行为,结合分析含多种内变量的粘塑性本构模型的物理意义,推荐了适合于泡沫铝材料的一维粘塑性本构模型,并对推荐模型进行了拟合,拟合结果与实验结果吻合比较好,该模型和实验结果均反映了泡沫铝材料的应变率负敏感特性。     

高硅铝合金材料高温充氧氧化工艺

针对应用广泛的高硅铝合金电子封装材料,采用高温充氧氧化工艺,对已挤压成形的Al-30Si及Al-40Si高硅铝合金材料进行后续处理,通过扫描电镜、金相显微镜、热物性测试仪及电子万能拉伸试验机等,对材料显微组织、密度、气密性、热膨胀系数、热导率及抗压强度进行了分析比较。研究结果表明:高温充氧氧化后材料晶粒长大,Si含量高的材料长大更为明显,并存在Si颗粒偏聚现象;高温氧化后材料致密度增加,气密性提高;氧化后Al-30Si材料热膨胀系数略有增加,而充氧氧化对Al-40Si材料的热膨胀系数的影响不明显,但可提高材料热导率,Al-30Si与Al-40Si材料热导率分别提高16.4%和23.5%;高温氧化工艺显著降低材料抗压强度,Al-30Si与Al-40Si材料经氧化后抗压强度分别下降26.8%和20.5%。     

Anomalies in mid-high-temperature linear thermal expansion coefficient of the closed-cell aluminum foam

Low-density closed-cell aluminum foam is promising to be used as load-bearing and thermal insulation components. It is necessary to systematically study its thermal expansion performance. In this work, linear thermal expansion coefficient(LTEC) of the closed-cell aluminum foam of different density was measured in the temperature range of 100–500 °C. X-ray fluorescence was used to analyze elemental composition of the cell wall material. Phase transition characteristics were analyzed with X-ray diffraction and differential scanning calorimetry. LTEC of the closed-cell aluminum foam was found to be dominated by its cell wall property and independent of its density. Particularly, two anomalies were found and experimentally analyzed. Due to the release of the residual tensile stress, the LTEC declined and even exhibited negative values. After several thermal cycles, the residual stress vanished. With temperature higher than 300 °C,instantaneous LTEC showed hysteresis, which should result from the redistribution of some residual hydrogen in the Ti2Al20 Ca lattice.     

闭孔泡沫铝材料吸声性能分析

为更全面地反映闭孔泡沫铝材料的吸声降噪能力,从密度、厚度、背后空腔深度、打孔率几个方面,对闭孔泡沫铝材料的吸声性能进行研究.改变以往单纯用吸声系数的峰值表征的方法,而是用吸声系数的峰值、降噪系数、半峰宽3个指标来评价闭孔泡沫铝材料的吸声性能.通过驻波管法测试吸声系数,用Origin软件进行吸声曲线的分析,建立一次函数....