各向异性弹性开孔泡沫压缩行为的数值模拟

基于各向异性开孔泡沫的随机模型,对低密度弹性开孔泡沫材料的压缩力学行为进行了有限元数值模拟,得到了其应力-应变曲线及弹性坍塌强度.讨论了模型的随机度、各向异性比及相对密度对力学性能的影响.结果表明,沿不同方向加载时,各向异性胞体的微观变形机制不尽相同,且变形较大时,支柱的弹性屈曲占主导地位;模型随机度的增大,使两个方向的压缩无量纲应力-应变曲线均有所降低,且 λ =1时的无量纲应力-应变曲线与实验曲线吻合得较好.此外,开孔泡沫各向异性比的增大可使胞体伸长方向的弹性坍塌强度增大,而垂直方向的弹性坍塌强度则减小.      

轴对称载荷下横观各向同性泡沫材料的屈服面

利用二维有效应力和平均应力的描述方法,推导出三维横观各向同性泡沫材料在轴对称载荷下的特征平均应力、特征应力以及特征应变的表达式,得到用特征平均应力和特征应力描述的屈服面模型;并通过对面心立方单胞模型进行有限元分析,研究了横观各向同性泡沫材料的泡孔长径比对弹性性能和屈服面的影响.结果表明:随泡孔长径比的增加,泡孔伸长方向对应的泡沫模量增加,而与其垂直方向的泡沫模量则减小,且屈服面发生了逆时针转动;得到的屈服面模型与Gurson修正模型基本一致,且同有限元结果相符,为横观各向同性泡沫提供了一种新的屈服面描述.     

支柱截面随机度对开孔Voronoi泡沫弹性性能的影响

基于Voronoi随机泡沫模型,引入支柱截面面积不均匀分布的随机变量,研究了其对泡沫材料的非线性压缩和拉伸行为以及各向异性弹性性能的影响,并与模型随机度的影响进行比较,讨论了两种随机因素共同作用时的影响效果.结果表明,对非线性压缩和拉伸行为,支柱截面随机度对无量纲应力都起降低作用,并且其影响随应变的增加而增大,对泊松比在压缩时起减小作用而在拉伸时起增大作用;支柱截面随机度对胞体伸长方向和垂直于胞体伸长方向的弹性模量均起减小作用,但对泊松比的影响不明显.两种随机因素共同作用的影响效果在拉伸时减弱,而在各向异性弹性情况下增强.     

基于CT的泡沫铝三维细观模型重建及应用

为了建立更加真实的闭孔泡沫铝三维细观分析模型,提出了一种基于计算机层析成像（CT）的有限元模型构建新方法。首先,对CT扫描得到的泡沫铝试件的扫描图像进行Otsu算法分析,确定了区分基体材料和空气的灰度最佳阈值。其次,基于映射网格思想直接从扫描图像生成了试件的有限元分析模型,实现了泡沫金属三维细观分析模型的重建。最后,以此为基础进行了泡沫铝试件准静态压缩和动态冲击试验的数值模拟,结果表明,准静态压缩下泡沫铝的内部变形随机分布于整个试件,且与其三维结构密切相关;而动态冲击下变形在冲击端附近首先发生,体现出显著的局部化效应。本文方法能真实地描述泡沫金属内部的细观结构,实现了对泡沫铝试件在准静态压缩和动态冲击作用下的受力、变形与破坏过程更加详细的模拟分析。      

低密度闭孔金属泡沫压缩屈服行为的数值模拟

对低密度闭孔金属泡沫的变形过程进行数值模拟是研究泡沫材料力学及失效行为的重要手段.基于Kelvin多倍胞体模型和有限元方法数值模拟了低密度闭孔泡沫铝的压缩变形的过程,给出了压缩变形曲线并确定了压缩屈服强度.在计算过程中,考虑了材料非线性和几何非线性效应以及胞体倍数对应力-应变关系的影响,并采用理想弹-塑性和线性强化弹-塑性两种材料本构关系来考察其对于泡沫铝非线性压缩力学行为的影响.结果表明,有限元计算的结果与一些文献的理论工作有较好的一致性,但是比实验值偏大.     

基于μCT图像的PVC泡沫微观试样几何模型生成算法

在泡沫微观结构的数值模拟中，泡沫空腔的几何特征和排列状态对计算效率及计算结果有着重要的影响，基于前进面搜索几何构造算法和Laguerre划分算法，提出了一种新的PVC泡沫微观试样几何模型生成算法。从μCT扫描图像重构泡沫的真实几何模型，测量泡沫空腔的几何特征及体积分布规律，将测量得到的泡沫空腔体积转化为球体，并通过前进面搜索几何构造算法投入空间，通过Laguerre划分算法将空间球体进行区域划分，赋予壁厚参数，构建出闭孔PVC泡沫的微观几何模型。所建立的模型在微观几何特征上与实际材料符合较好。      

泡沫子弹撞击刚性靶板的理论模型

Taylor撞击常用于测试材料的动态屈服强度。泡沫压缩密度与压缩应变的关系对泡沫子弹Taylor撞击的理论分析起着重要的作用。本文通过引入塑性泊松比,得到了泡沫压缩密度与压缩应变的准确关系,进一步建立了可压缩泡沫子弹撞击刚性靶板的理论模型。当塑性泊松比为常数时,文中建立的泡沫受压后密度比的一阶泰勒展开式可以退化到已有模型。当塑性泊松比为塑性应变和子弹相对密度的函数时,相对密度会影响泡沫子弹的冲击响应历程及最终变形,但对撞击持续时间影响较小。同时,初始速度也会影响子弹最终变形和撞击持续时间。本文的理论工作可以为分析泡沫材料的动态力学行为提供有益指导。      

聚氨酯泡沫塑料剪切力学性能的研究

对聚氨酯泡沫塑料进行了低速扭转实验, 研究了这类材料的剪切力学行为, 确定了材料的剪切弹性模量和剪切破坏强度等力学性能参数.并且, 对扭转试件断口进行了扫描电镜分析,研究了泡沫塑料剪切破坏的机制.最后, 利用作者得到的理论公式,对聚氨酯泡沫塑料的剪切力学性能进行了理论预测.结果表明,理论预测值与实验结果相当一致.      

GA-A3DI-FDTD的PML吸收边界数值反射分析

研究一种减小三维交替方向隐式时域有限差分法ADI-FDTD(Alternating-Direction Implicit Finite-Difference Time-Domain)数值色散的新方法GA-A3DI-FDTD(Genetic Algorithm Artificial Anisotropy ADI-FDTD).首先对添加人工各向异性介质后的三维ADI-FDTD迭代公式进行变形,得到新的数值色散关系,再利用自适应遗传算法AGA(Adaptive Genetic Algorithm)得到需要添加的人工各向异性介质的相对介电常数.并以空心波导作为数值算例,分析了由不同目标函数得到的人工各向异性介质对计算精度以及PML(Perfectly Matched Layers)吸收边界数值反射产生的影响,同时分别与传统ADI-FDTD相比较.结果表明通过正确选择目标函数,得到更加合适的人工各向异性介质,可以在减小三维ADI-FDTD数值色散的同时,有效地抑制由于人工各向异性介质的添加所造成的PML吸收边界数值反射的增强.      

微重力条件下泡沫复合相变材料蓄热装置数值仿真

相变材料由于相变过程中吸收或者释放大量能量且过程近似等温这一特性而有巨大的应用潜力,将相变材料蓄热装置应用于航天器是维持航天器内各个单元工作温度的一种有效方法.提出一种基于正二十烷的相变蓄热结构方案,分别填充泡沫铜与泡沫碳作为基体材料来强化相变材料的传热性能.通过对该模型进行数值仿真计算,得到相变蓄热装置温度、固液相界面位置随时间的变化等有效数据,分析泡沫相变蓄热材料在微重力条件下相变界面的演变过程.结果显示,得益于其较高的导热系数,泡沫复合相变材料可将热源热量有效分散到其他区域,减缓热源面温度上升速度,并且降低重力变化对传热的影响.所得数据结果为泡沫复合相变材料的工程应用提供了科学依据.      

开孔泡沫塑料的应力松弛问题

开孔泡沫塑料具有良好的能量吸收和缓冲性能, 在工程中得到了广泛的应用, 对其粘弹性行为进行研究具有重要的意义.基于Lederman模型,应用三参数标准线性固体模型考虑基体的粘弹性性能,对开孔泡沫塑料的应力松弛行为进行了研究,并讨论了所加应变载荷、结构参数和泊松比对应力松弛曲线的影响.结果表明:应力松弛曲线对泊松比是不敏感的,并且,应变载荷的增加和相对密度的提高会使应力松弛变得更加明显,但应力响应的初始值和终值的比却不随应变载荷的提高而变化.     

湿/热/力耦合条件下复合材料结构渐进损伤仿真

发展了湿/热/静力耦合条件下复合材料结构渐进损伤仿真方法,考虑复合材料力学性能的随机分布特性建立有限元模型,改进了湿热条件下复合材料本构关系,以Hashin准则、最大应力准则作为失效判据,完整仿真了不同湿热条件、不同载荷类型作用下复合材料开孔层合板从损伤起始至最终失效的损伤演化全过程,极限强度预测结果与相应试验结果的误差在10%以内,验证了仿真分析方法的有效性.湿热效应对损伤起始和演化的影响表明:由于湿热条件作用,相对于室温干态而言,复合材料开孔层合板的损伤起始的时间提前、所需载荷降低,极限强度和极限应变减小.     

一种有负泊松比效应的二维多胞材料力学模型

负泊松比多胞材料具有独特的力学性能,有着良好的应用前景.基于旋转机制,提出了一种具有负泊松比效应的、由部分内凹以及部分规则六边形组成的二维多胞材料力学模型;预测了模型的泊松比及刚度系数随角度的变化关系,计算了该模型的剪应变,并通过能量法给出了其弹性本构方程.结果表明:该力学模型不但能产生负的泊松比,而且还可导致大于1的正泊松比及呈现"负刚度"特征;通过调整模型胞壁长度的比值和特征角的大小可以改变模型的刚度系数.这些结果对二维多胞材料的微结构设计具有一定的工程参考价值.     

两种增强泡沫塑料静动态力学性能的比较

通过静、动态压缩实验对两种增强聚氨酯泡沫塑料的压缩力学性能进行了研究，分析了两种材料应力－应变曲线的特点，并比较它们的应变率敏感性和动态加载时的能量吸收特性，实验结果表明：玻璃纤维束增强聚氨酯泡沫塑料具有不同于单丝玻璃纤维增强泡沫塑料的力学性能和变形破坏机制，单丝玻璃纤维增强泡沫塑料具有较好的增强效果。     

松质骨微观骨小梁结构的生物力学综合分析

股骨松质骨具有骨小梁的微观结构特性,影响了股骨的整体力学性能,找到适当的单元形状与骨小梁分布特点可以有效地进行股骨生物力学特性分析．采用不同结构的微观骨小梁单元模型分析各单元的生物力学特性,并采用快速成形样件力学实验和有限元分析相结合的方法,对由不同骨小梁单元及不同分布形式构成的股骨模型进行生物力学分析,找到了较好的微观骨小梁单元模型及总体布局形式,获得了快速成形样件实验分析与有限元分析2种结果的综合分析,并应用于股骨松质骨建模．所获得的微观单元优化结构可以有效地应用于仿生结构材料的制造．      

复合泡沫塑料力学行为模拟的ANN方法

对人工神经网络(ANN)方法在复合泡沫塑料力学行为模拟中的应用进行了研究.首先,选取影响材料力学行为的因素和所需模拟、预测的力学性能作为输入、输出量;然后,利用反向传播算法建立了四层神经网络模型,对复合泡沫塑料的力学性能和本构关系进行了模拟和预测.数值结果表明,训练后的神经网络模型能较好地模拟、预测材料的模量、屈服强度和不同应变率及不同温度下的压缩应力-应变曲线.此外,3种不同改进训练方法的比较说明,Bayesian规则化法的泛化能力最好,LM法收敛最快,而自适应梯度下降动量法则需要较长的迭代时间才能达到相同的精度.