闭孔泡沫铝准静态压缩试验的有限元仿真

2021-05-20徐晓辰徐广晨

有色金属材料与工程 2021年2期

崔宇，王丽，徐晓辰，徐广晨

（营口理工学院机械与动力工程学院，辽宁营口 115014）

泡沫铝作为一种多孔金属材料，与传统的金属和有机材料相比，具有质量轻、吸能能力更强等优点，使其在民用建筑、交通运输、高铁隧道、航空航天领域被广泛使用[1-2]。由于泡沫铝同时具备金属的固有属性和结构多孔的特性，当其作为缓冲材料受到静态力加载后，能够表现出优异的吸能效果，因此，对其进行准静态压缩力学性能研究有着积极的意义。

闭孔泡沫铝在实际压缩过程中，对缓冲吸能方面特性的研究还不完善，王青春等[3]对闭孔泡沫铝在准静态压缩和冲击情况下的吸能特性进行了研究，发现泡沫铝是一种近似各向同性结构、单位质量具有较高吸能特性的缓冲吸能材料。王展光等[4]采用Gibson-Ashby 模型对闭孔泡沫铝的压缩屈服强度进行分析，提出了可供工程使用的多孔泡沫金属吸能能力公式。Gibson-Ashby 模型的单一孔是由12 条力臂棱组成的立方体，当组成力学矩阵时，只能依靠力臂棱来连接，因此，其力学加载的堆积效果并不理想，各力臂棱受力也不等价，模拟计算误差较大[5-9]。为最大程度地接近实物孔穴的受力分析，在理想条件下，利用有限元分析软件，模拟建立闭孔泡沫铝的十八面体力学模型，仿真在准静态压缩力作用下的模拟试验，分析泡沫铝的压缩力学特性，为泡沫铝的应用提供理论依据[10-13]。

1 泡沫铝仿真模型

泡沫铝在应用过程中，当承受竖向压缩载荷时，其所表现出来的力学性能特性与其单一孔结构有很大关系，如单一孔的孔隙率、直径、形状以及分布特点等[14]。单一孔在承受竖向压缩载荷时，简化力学模型表现为孔穴的结构框架，在单一孔理论模型建立的过程中，模型框架搭建成为关键因素[15]。通常搭建模型采用四面体结构、六面体结构和八面体结构等。为保证有限元分析模型最接近真实泡沫铝的单一孔结构，本次模拟试验采用单一孔十八面体框架模型，见图1。

图 1 单一孔上下等轴测模型Fig.1 Single hole up and down isometric model

试验模型选用泡沫铝的孔隙率为60%，单一孔铝材料的密度为2.7 g/m3，弹性模量为68.9 GPa，屈服强度为76 MPa，泊松比为0.33，剪切模量为0.58 GPa，摩擦因数为0.12。模拟试验框架模型空间密排堆积采用4×4×4 单一孔矩阵，矩阵框架长×宽×高为12 mm×12 mm×12 mm，见图2。

图 2 空间密排堆积上下等轴测模型Fig.2 Upper and lower isometric model of spatial close packed pile

2 有限元模拟试验及结果分析

2.1 有限元模拟试验

泡沫铝模型矩阵建立完成后，有限元软件的前期试验参数按照试验的基础物理条件进行相关设置。因模型网格划分数量将对计算精度和模拟软件的硬件有很大影响，因此，需要根据试验来设置网格密度，本次试验采用的网格划分密度为0.3 mm。加载设定采用平面加载，上下平面平行，并设为刚体；下平面为固定约束，上平面采用等力值向下移动，移动力值为20 kN。加载平面在向下移动的过程中，在加载力不变的情况下，模型矩阵各力臂呈现不同程度的变形，应力自上而下不断增大，模拟压缩试验的应力、位移、变形结果分布图见图3。

2.2 应力分布图分析

泡沫铝矩阵模型在给定加载力的过程中，单一孔力学框架受到的应力主要由上表面连接力臂承载，上表面支撑的4 个斜力臂也承受相对较大的应力。而对于单一孔框架的竖向支撑力臂所承受的应力相对较小，并且所受的应力比较均匀。单一孔的力学框架下表面连接力臂和斜力臂也承受一定的应力，但比上表面力臂承受的应力要小，比竖向支撑力臂的要大，处于中间阶段。分析其原因在于竖向支撑力臂主要承担压缩作用所产生的压应力，而其上下表面的连接力臂和斜力臂承受压缩及弯曲的组合作用，包括压缩应力和弯曲应力。从整个泡沫铝矩阵框架来看，模型中受到直接加载作用面的应力最大，产生极值，约束端受到应力较小，可以看出，泡沫铝在受力过程中，从上至下应力传导逐渐虚弱，这反映出泡沫铝具备吸能特性，可以在工程和军事上作为比较好的吸能材料，缓冲振动，也能减少噪声的有害影响。

图 3 模拟压缩试验应力、位移和变形分布图Fig.3 Distribution images of stress, displacement and deformation in simulated compression test

2.3 位移和变形分布图分析

泡沫铝在压缩载荷作用下，无论是单一孔模型，还是矩阵模型，都呈现出相同的变形和位移特点：模型从载荷接触处到模型拘束处其位移和变形逐渐减小，在上表面受到加载平面的直接作用，产生的变形和位移最大；在下表面的模型约束处，产生的变形和位移最小；在持续加载过程中，第一层的矩阵模型首先发生垮塌，并开始出现致密化；第二层矩阵模型在第一层模型矩阵垮塌后，也开始垮塌，也进入致密化的过程；第三层和第四层矩阵模型也以同样的方式变形、垮塌、致密化，最终所有的模型致密化完成，整个模型加载完成。虽然每层矩阵模型的变形时间不同，从上至下先后发生，但是其各层相差时间很短，表明泡沫铝材料在受到压缩载荷加载过程中，各层泡沫铝同时吸收能量。

2.4 应力-应变曲线分析

泡沫铝有限元模拟仿真试验的应力-应变曲线见图4。

在整个压缩加载过程中，大致分为4 个阶段：弹性阶段、屈服阶段、吸能阶段和致密化阶段。在初期压缩加载的过程中，泡沫铝处于弹性阶段，整个材料模型保持实体铝的特性，表现为线性特点，曲线近似为一条直线，这个阶段时间很短，主要体现多孔材料的强度性能。在中期，应力突然爬升，到达一个峰值后趋于平缓，这个阶段曲线表现为非线性，由于出现小的峰，也属于屈服阶段，这个时间也很短，虽然不能像普通金属材料屈服阶段表现的那么明显，有剧烈的曲线抖动，但可以看出，金属材料多孔结构在受力时展现的屈服特性。此后，曲线趋于平稳，出现了一个比较长的平台，应力不再增加，而变形大幅度增大，接近40%，理论上这个阶段也属于屈服的一种表现，但由于泡沫铝的各层孔结构在通过变形吸收能量，曲线表现平稳、缓升的特点，因此属于吸能阶段，这个区间比较长，反映出材料具备相当好的吸能特性。末期曲线开始陡增，并且陡增的曲线斜率不断增大，应力不断增加，而变形开始减小，反映泡沫铝的孔结构已经被压垮，内部孔空间被压实，孔壁挤在一起，开始致密化的过程，把这一过程列为致密化阶段。从整体观察应力-应变曲线，各阶段特征明显，吸能特性表现充分，证明泡沫铝作为一种新型结构的金属材料，可以在材料缓冲、军事防爆等领域有广泛的应用前景。