泡沫铝动态力学性能与波传播特性研究

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低阻抗多孔材料作为一种结构材料重新引起了人们的关注,特别在需要很高的刚度重量比的结构中。这类材料具有很高孔隙率,这使得它们能够吸收冲击能,从而减轻结构的撞击破坏。因此,低阻抗多孔材料通常用于需要吸收冲击能的结构中,例如包装、防护垫及抗爆结构。为了保证在这些应用中进行安全设计,研究这类材料在冲击荷载下的动态力学行为将尤为必要。 分离式Hopkinson压杆(SHPB),已广泛地用于金属、混凝土、陶瓷材料等大量的工程材料的动态压缩特性研究。然而,对于低阻抗多孔材料,常规的SHPB技术遇到了挑战。(一)由于输入杆阻抗与试样阻抗相差太大使输出杆中透射信号微弱,外界干扰信号的幅值可能跟所测得的信号处于同一量级,从而严重影响着实验的测量精度。(二)对于一般的金属材料,短试样两端能够在很短的时间(10μs)内达到平衡。然而低阻抗多孔材料波速低,同时应力波随着胞孔的压垮过程而衰减,这样会引起试件内沿其长度在相对较长时间的应力不均匀性,即非平衡的应力状态,常规的Hopkinson压杆计算公式已不能使用。 本文在第二章提出了将PVDF薄膜压电计和电阻应变片相结合的动态测试技术,研究了低波阻抗泡沫铝在高应变率下的动态力学行为。采用两片PVDF压电计直接测量试样前后两个端面应力时程,其平均值作为试样所受的有效应力时程,结合实测的试件轴向平均应变时程消去时间参数,得到试件应力应变关系的线性初始段,由其斜率即可求得给定应变率下的试件的动态杨氏模量。对于我们研究泡沫铝材料,密度为1.2×10<3>Kg/cm3,在=814 时,其E=1.15GPa,G=0.44GPa。为了研究泡沫铝在有限变形下完整的应力应变关系,采用波形整形技术来保证试样在破坏之前达到应力平衡和均匀变形。同时,采用埋在透射杆中的PVDF压电计来直接测量试样的应力时程,再结合反射波计算得到的应变时程,从而可以得到试样应力应变关系。 本文在第三章和第四章分别采用实验和数值模拟的方法对泡沫铝在爆炸荷载下的冲击波传播特性进行了研究。在实验研究中,采用沿传播方向间隔一段距离埋入多个PVDF压电计来直接测量冲击压力波形。实验结果显示:泡沫铝具有很好的冲击波衰减特性,这主要由泡沫铝材料粘性本构特性引起的,而追赶卸载效应又会进一步促进冲击波的衰减。采用第二章实验得到的泡沫铝材料参数,利用ANSYS-LS DYNA有限元程序对泡沫铝中冲击波传播过程进行了数值模拟,数值模拟结果与实验结果基本一致。
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