开孔泡沫硅橡胶细观建模与压缩性能研究

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本文简要概括了泡沫硅橡胶材料压缩实验、理论分析与数值模拟的研究进展,开展了开孔泡沫硅橡胶材料准静态单轴压缩实验,获得了不同密度开孔泡沫材料的压缩应力应变曲线,分析了孔隙度对压缩性能的影响;基于泡沫材料十四面体单胞模型,研究了开孔硅泡沫材料相对密度及截面形状对弹性常数的影响,获得了弹性模量、泊松比随相对密度的变化规律;在细观层次上把泡沫硅橡胶材料视为由孔隙空气和硅橡胶基体材料组成的两相复合材料,利用C++程序和有限元分析软件建立了不同泡孔类型分布的随机模型,并对其单轴压缩过程进行了数值模拟研究,获得了开孔泡沫硅橡胶二维和三维压缩条件的应力应变行为;根据泡沫硅橡胶的连续切片扫描图像,利用三维重构软件建立了反映开孔泡沫硅橡胶材料真实结构的有限元分析模型。论文的主要结论如下:  (1)基于准静态的泡沫硅橡胶材料单轴压缩实验表明,中、低密度试样受压后其受压面皆出现下凹现象,低密度试样在卸载后下凹现象能够消除,中密度试样卸载后不能消除,实心硅橡胶无下凹现象。在相同应变下,随着泡沫材料密度的增大,其对应的应力增大,并且平台区变短。  (2)利用十四面体单胞模型,采用解析方法,研究了开孔泡沫硅橡胶材料在单轴压缩下的弹性性能,获得了相对密度对杨氏模量及泊松比的影响规律:随着相对密度的增大,开孔泡沫硅橡胶材料杨氏模量逐渐增大,而泊松比逐渐减小;当高宽比R=1及表示宽度两部分比值的参数Q=20.5即模型为Kevlin模型时,模型所有柱的受力是等价的。  (3)编制C++程序,建立了不同泡孔大小的球形泡孔随机模型以及无规则泡孔随机模型,并基于随机模型对泡沫硅橡胶单轴压缩过程进行了数值模拟,获得了不同密度、不同泡孔结构开孔泡沫硅橡胶材料压缩应力应变性能,分析了压缩过程开孔泡沫硅橡胶的变形机制。结果表明:a.相对密度对应力应变曲线的影响十分明显,在相同应变值下,当相对密度较大时,其应力值也较大,并且相对密度越大其初始线弹性区斜率越大,平台区的范围越窄;b.无论是球形泡孔结构还是无规则泡孔结构开孔泡沫硅橡胶材料,最先变形的地方总是孔隙(特别是大孔隙)附近处或者边缘位置,在垂直于荷载方向的位移大致呈层状,在边缘部分稍有倾斜,并且相邻分隔带上总是存在众多泡孔;c.各随机模型给出的应力应变曲线与实验曲线变形规律基本一致,球形泡孔随机模型在模拟中、低密度开孔泡沫硅橡胶材料压缩性能时要优于不规则泡孔随机模型,无规则泡孔随机模型在模拟密度较高的开孔泡沫硅橡胶材料压缩性能时,模拟结果与实验结果吻合较好。  (4)介绍了基于连续扫描图片进行重构的详细步骤,建立了开孔泡沫硅橡胶材料真实微观结构模型,确定了重构模型的分析流程,采用MimicsV10.01软件对泡沫硅橡胶进行了三维重建和网格划分,该真实模型可直接采用商用FEA软件进行分析,为研究真实结构的开孔泡沫硅橡胶力学性能奠定了基础。
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