SiC多孔陶瓷吸能特性的理论与仿真研究

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随着科技进步,对工程材料的性能要求越来越高。陶瓷材料本身兼具脆性、高硬、少韧;进一步发挥工程陶瓷材料的吸能和减振、缓冲特性,使其从材料结构的微设计层面探讨该类材料的吸能、减振和对冲击的缓冲效果,意义重大。研究从SiC多孔陶瓷的结构参数入手,分析了相关参数对其压缩行为和吸能效率的影响,从动力学角度研究了SiC多孔陶瓷胞元的形变,损伤结构下的吸能性能的演变机制。研究内容如下:(1)研究孔隙率对弹性模量比、等效泊松比、体积模量比和有效模量比影响,并以孔隙率作为表征SiC多孔陶瓷的重要参数,探讨了其与微观强度的关系,得到了正六边形边长/胞元壁厚的最优配比。通过实验初步研究了孔隙率、加载速度和样品实测厚度对SiC多孔陶瓷的吸能影响。(2)通过对开合通孔SiC多孔陶瓷有注入和无注入环氧树脂的情况,分别建立流固耦合形变模型和正三棱体胞元骨架形变模型,分析了两种模型运动状态变化过程,通过对实验数据处理图与仿真图进行对比分析,揭示了系统从开始形变到系统失稳的变化过程,发现注入环氧树脂可提高孔壁的抗弯曲能力。(3)运用弯曲能量法分析了开合通孔蜂窝结构的SiC多孔陶瓷等效刚度,建立了等效刚度与吸能效率之间的关系,考虑了在不同加载速度和结构参数下,等效刚度对吸能效率的影响。进一步将蜂窝SiC多孔陶瓷吸能效率曲线转化为标准化单位体积能量吸收曲线,并通过分段函数方式表征了压缩后的蜂窝SiC多孔陶瓷材料能量吸收模型,单位体积吸收能量受样品厚度影响较大,受加载速度和孔密度影响较少。(4)对二维周期排列SiC多孔陶瓷组成的悬臂梁结构进行吸声系数与宏观弯曲刚度的联系,分别建立了有无裂纹两种模型的悬臂梁工程结构,从非线性动力学的角度揭示了刚度、阻尼对系统吸能与形变的影响。为进一步揭示悬臂梁这类工程结构能量变化的运动状态,研究了以SiC多孔陶瓷材料制成的悬臂梁工程结构在外部激励下,材料内部结构的形变与能量转迁的过程。
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