工学硕士学位论文复合泡沫金属材料缓冲吸能性能研究丁佰锁哈尔滨工业大学2006年6月国内图书分类号：O347.3国际图书分类号：531.6.61工学硕士学位论文复合泡沫金属材料缓冲吸能性能研究硕士 研究生：丁佰锁导师：孙毅教授申 请 学 位：工学硕士学科、专业：固体力学所在单位：航天学院航天科学与力学系答辩日期：2006年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index: O347.3U.D.C: 531.6.61Dissertation for the Master Degree in EngineeringENERGY ABSORPTION PROPERTY OF COMPOSITE METALLIC FOAMSCandidate:Ding Bai SuoSupervisor:Prof. Sun YiAcademic Degree Applied for: Master of Engineering Specialty:Solid MechanicsAffiliation: Dep. Of Astronautics and Mechanics Date of Defence:July, 2006Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要在很多工程应用中，为了防止冲击与振动所造成的破坏，常常使用吸能材料作为防护层，在众多的吸能材料中，泡沫材料作为一种具有优越缓冲吸能性能的材料，得到了越来越广泛的关注。
本文利用挤压铸造法制备了一种新型的复合泡沫金属材料，该材料由空心微珠填充铝合金基体而成，它是一种应用前景非常广阔的吸能与冲击防护材料。
本文采用理论分析、数值仿真与实验的方法对复合泡沫金属的静动态力学响应与吸能性能进行了相应的研究。
对多种不同玻璃微珠含量，不同基体合金和热处理方式的复合泡沫金属进行了准静态压缩试验和落锤式冲击试验，获得了材料的压缩杨氏模量和屈服强度等数据，得到了压缩应力应变曲线，计算了相应的吸能能力与理想吸能效率，探讨了不同因素对复合材料压缩力学响应与吸能特性的影响规律。
描述了复合泡沫金属材料的吸能机制。
根据刚度等效原则，将复合材料圆柱试样的轴向冲击破坏过程简化为等效均质圆柱的一维碰撞问题，应用一维应力波传播的理论描述了复合材料圆柱试样受轴向冲击的破坏过程，推倒了在冲击过程中材料吸收的冲击动能。
观察了不同复合泡沫金属材料试样的宏观破坏形貌，同时借助扫描电境，对不同复合材料准静态压缩与轴向冲击破坏后试件的切片进行了微观分析，探讨了材料的宏观与细观破坏机制。
最后，利用通用有限元软件ANSYS，对复合材料静态压缩试验进行了数值模拟，利用胞元法思想建立了复合泡沫金属材料的微观结构模型，得到了材料在静态位移载荷和静态压力载荷作用下的变形与应力分布规律，进一步探讨了材料的微观损伤机理。
本文的研究工作为复合泡沫材料失效形式的判断与行优化设计提供了相应的依据。
关键词复合泡沫金属；缓冲吸能；有限元方法；压缩；冲击，- I -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractIn many engineering applications, in order to prevent the damage caused by impact and vibration, often use energy absorbing material as a protective layer. In a large number of materials to use, foam can use as a buffer with superior performance materials, has won increasingly widespread concern. In this paper, we use squeeze casting method for a new legal system composite metallic foams, the materials from hollow sphere filled aluminum alloy matrix composite based, it is a very broad prospects for application to the energy absorbing and impact protective material.We use theoretical analysis, numerical simulation and experimental methods studied composite metallic foams static and dynamic mechanics response, but also to study the performance of energy absorbing.Quasi-static compression tests and a drop hammer-impact tests were made to different composite metallic foams with different content of hollow sphere, different matrix alloy and heat treatment, received Yang’s module volume and yield strength, got stress-stain response curve, calculated the ability and ideal efficiency of energy absorbing, discussed the effect low of different factors on composite material’s mechanics response and energy absorbing capacity. Describe the energy absorbing mechanism of composite metallic foams. According to the principle of rigidity equivalent to the composite materials columns specimen must simplify the process of impact damage to the one-dimensional equivalent uniform columns collisions, applicated one-dimensional stress wave propagation theory to describe the destruction process of composite materials columns specimen.Observed different specimen’s macroeconomic damage externalities, at the same time relying on the scanning electronic microscope, explored the macroscopical and microcosmic destruction mechanism.Using general FEM software ANSYS, conducted numerical simulation of composite materials static compression tests, established micro-structural composite materials models, received the deformation and stress distribution of materials in static pressure load and the static displacement load.- II -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文This research forms for the composite foam judgment lapse with the corresponding provided the basis for design optimization.Keywords composite metallic foams ，energy absorbing，finite element method，compress，impact- III -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 泡沫金属的主要性能特征 (2)1.2.1 压缩力学性能与吸能性能 (2)1.2.2 阻尼性能 (4)1.2.3 吸声性能 (4)1.2.4 电磁屏蔽性能 (5)1.2.5 其他性能 (5)1.3 泡沫金属的应用范围 (5)1.3.1 超轻结构材料 (5)1.3.2 吸能与冲击防护材料 (6)1.3.3 阻尼及消声材料 (7)1.4 微球复合泡沫材料简介 (7)1.5 本章小结 (9)第2章复合泡沫金属准静态压缩吸能实验 (10)2.1 引言 (10)2.2 复合泡沫金属的准静态压缩试验 (10)2.2.1 试样参数 (10)2.2.2 实验装置与原理 (11)2.3 复合泡沫金属的压缩应力应变响应特征 (12)2.3.1 实验结果 (12)2.3.2 空心微珠粒径对复合泡沫金属应力-应变曲线的影响 (13)2.3.3 基体合金对复合泡沫金属应力应变曲线的影响 (14)2.3.4 热处理状态对复合泡沫金属应力-应变曲线的影响 (15)2.4 复合泡沫金属准静态下的宏微观变形特征 (16)2.5 复合泡沫金属压缩吸能性能 (19)2.5.1 吸能性能常用评估方法 (19)- IV -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2.5.2 复合泡沫材料的吸能性能 (20)2.5.3 复合泡沫金属的准静态压缩吸能机理 (21)2.6 本章小结 (22)第3章复合泡沫金属轴向冲击实验 (23)3.1 引言 (23)3.2 落锤式冲击实验 (23)3.2.1 落锤式冲击实验装置与原理 (24)3.2.2 试样参数 (26)3.3 复合泡沫金属冲击应力-应变特征 (26)3.3.1 基体合金对复合泡沫金属冲击应力应变曲线的影响 (26)3.3.2 空心微珠粒径对复合泡沫金属冲击应力应变曲线的影响 (28)3.4 复合泡沫金属动态冲击下的宏微观变形特征 (29)3.5 基于应力波理论的冲击破坏模型 (31)3.5.1 刚性重物与等效圆柱的碰撞 (31)3.5.2 渐进破坏过程描述 (34)3.6 复合泡沫金属冲击吸能特性 (36)3.6.1 吸能能力及其影响因素 (36)3.6.2 冲击与准静态吸能特性比较 (36)3.7 本章小结 (37)第4章复合泡沫金属轴压力学行为的有限元模拟 (38)4.1 引言 (38)4.2 有限单元法与有关变分原理 (39)4.2.1 有限单元法的基本思想 (39)4.2.2 几个常用的变分原理 (39)4.3 模型的建立 (42)4.4 计算结果与讨论 (43)4.4.1 静态压力加载 (43)4.4.2 静态位移加载 (46)4.5 本章小结 (47)结论 (48)参考文献 (50)攻读学位期间发表的学术论文 (54)哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 (55)- V -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 (55)哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理 (55)致谢 (56)- VI -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1引言自然界中存在大量的多孔材料，如蜂窝，海绵，软木，珊瑚等，它们以其优异的力学性能和多种应用功能引起许多力学家、材料学家和工程师的广泛兴趣和不懈的探索研究[1-3]。