毕业设廿文献综述机械设廿制造及其自动化基于撤观角度的多孔缓冲林料的压编分析摘要：对多孔材料力学性能的研究可以在宏观、细观、微观3个不同尺度层次下 展开宏观研究采用的是连续介质理论，讲多孔材料视为某种平均化后的等效的 连续介质，不关心空隙结构的具体形态由于多孔材料往往具有非线性弹性的特 点，本构方程中需采用增量描述形式，而口多孔材料的弹性范围通常很小，这个 范围，材料就会发生屈服、损伤或断裂然而，宏观研究忽略了空隙结构的拓扑 特性，因此无法解释多孔材料的变形和破坏，只能用于粗略的估算和大致的预测 关键词：多孔材料微观结构有限元软件引言：多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，孔洞的边界 或表面由支柱或平板构成典型的孔结构有：一种是由大量多边形孔在平面上聚 集形成的二维结构，由于其形状类似于蜂房的六边形结构而被称为“蜂窝”材料; 更为普遍的是由大量多面体形状的孔洞在空间聚集形成的三维结构，通常称之为 “泡沫”材料如果构成孔洞的固体只存在于孔洞的边界（即孔洞之间是相通的），则称为开 孔，如果孔洞表面也是实心的，即每个孔洞与周围孔洞完全隔开，则称为闭孔（本 文只讨论闭孔）;而有些孔洞则是半开孔半闭孔的。
由于多孔材料具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、隔音、隔 热、渗透性好等优点，其应用范围远远超过单一功能的材料，而在航空、航天、 化工、建材、冶金、原子能、石化、机械、医药和环保等俱多领域具有广泛的应 用前景对多孔材料力学性能的研究可以在宏观、细观、微观3个不同尺度层次下展开 宏观研究采用的是连续介质理论，讲多孔材料视为某种平均化后的等效的连续介 质，不关心空隙结构的具体形态由于多孔材料往往具有非线性弹性的特点，本 构方程中需采用增量描述形式，血且多孔材料的弹性范围通常很小，这个范围， 材料就会发生屈服、损伤或断裂然而，宏观研究忽略了空隙结构的拓扑特性， 因此无法解释多孔材料的变形和破坏，能用于粗略的估算和大致的预测微观研 究采用物理力学及物理化学的方法研究孔隙结构的形成过程，着重解决孔隙的形 核结构和长大问题，为材料学研究人员所重视但由于材料结构的复杂性，H前 还很难将微观尺度上的物理量直接与宏观材料性能关联起來，尤其是二者之间的 定量关系极难确定介于宏微观之间的细观研究作为固体力学中振奋人心的新领 域受到国际学术界及工程界的广泛注意，并得到了蓬勃发展较早可追索到1963 年，Gent和Thomas[b2：提出用弹性支柱网络模型和立方体结构模型来描述开孔泡 沫材料的力学行为，给出了弹性模量的预测结果，并模拟了泡沫材料的压缩应力 ——应变关系。
在低密度条件下，泡沫材料的弹性模量与相对密度成正比随后在他们工作的基础上,Mato门is龙提出了立方板结构模型来模拟闭孔泡沫 燃料的力学行为在Gent和Thomas弹性支柱模型基础JL, Lederman （1971年）进一步考虑了泡 沫材料额外的胞体结构参数和胞体结构的取向对拉伸弹性模量的影响，导出了包 括大应变效应的开孔泡沫材料的应力应变关系模型为了改进前人简单模型的预测结果，Chan和Nakamura （1969年）用五边十二 面体模拟低密度泡沫材料的力学行为，确定了泡沫材料模量和屈服应力对结构参 数的依赖关系‘后来,Menges和Knipsch订d （1975年）又基于五边十二面体模 型，得到了预测硬质聚氨酯泡沫塑料拉仲、压缩、剪切强度和弹性模量等力学性 能参数的经验公式五边十二面体模型虽然与真实泡沫的微结构比较相近，但它 们却无法填满整个空问，因而，该模型只能作为一种近似模型使用口五边十二 面体模型的分析结果相对比较复杂，难于在工程上直接使用所以Gibson和Adhby （1982年）提出关于各向同性开孔泡沫材料的分析模型将 这种多孔体抽彖的表征为具有立方结构的孔隙单元的集合体，这些孔隙单元是由 12根相同的孔隙棱柱（孔棱、孔筋）构成的立方格子，其中每根孔楞均有在其中 点并相垂直的棱柱（连接棱、连接筋）相连接。
这些立方构架的孔隙单元通过这 种连接棱相互连接在--起，就构成了开孔泡沫体的整体通过立方体交错模型引入弯曲变形的机制，并利用量纲分析的方法研究了三 维泡沫材料的力学性能与胞体几何结构、胞体壁性能Z间的关系依据实验结果 得到了开孔泡沫材料力学性能的简单预测公式，杨氏模量r与相对密度R = 川 （其中R€（o，i], b为泡沫密度，卩为基体密度）间的简单关系为： E^/E = （p7p）2 = o Gibson和Adhby的模型虽然简单实用，但该模型与泡沫材料 的真实结构相差甚远，并且在力学方而不够严格在此之Jn, Warren和Kray门ik （1988年）根据四面体支柱结构模型研究了三维 开孔泡沫材料的弹性性能得到支柱截面形状分别为圆截面、三角形截面和 Plateau截面的泡沫材料弹性模量与相对密度的关系在所有支柱等长度等截面的假设下，他们得到的泡沫材料杨氏模量与相对密 度之间的关系为：其中参数C对应于不同的支柱截而形状，其取值 不同，即圆截面为0. 91,三角形界面为1. 1, Plateau界面为1.53而Plateau截面 形状实际上最接近真实开孔泡沫支柱截面的形状结果表明，支柱弯曲是具有四 而体微结构泡沫材料的主要变形机制，这与Gibson和Adhby给出的结论是一•致的。
同时，他们对具有立方体微结构的泡沫材料的分析表明，支柱伸长是主要的变形 机制，与Gent和Thomas模型的结果相一致总之，20世纪90年代之前的工作主要围绕着泡沫材料的两种不同变形机制， 提出了各种不同的结构模型和力学模型备受人们关注的是Gent和Thomas模型和 Gibson 和 Adhby 模型卢子兴和张慧等也利用只包含支柱的轴力变形的弹性支柱网络模型导出了包 含应变率效应的拉伸本构关系，还讨论了开孔泡沫燃料的应力松弛问题但是， 基于弯曲变形机制的开孔泡沫材料模型可以同大多数泡沫燃料的实验数据相符 合，尤其是可以很好地描述破质泡沫塑料、金属泡沫材料和陶瓷泡沫材料等的实 验数据，因而受到多数学者和工程界的关注，H前在国内外的航空、航天及汽车 等工程领域的轻质吸能结构和防护结构的设计中均得到了广泛的应用值得一提的是，国内学者刘培生等基于三维网状高孔率金属材料的结构特点, 提出用八面体几何结构模型来描述开孔泡沫材料的力学行为八面体结构为：所 有孔棱均规则地按立方体的对角线方式连接，从而形成大量密积的体心立方式八 而体孔隙单元这些单元八而体错落有致地分布在三个相互垂直的三维方向上(指 八而体的轴线方向)，从而实现孔隙单元的整体密积构成整个多孔泡沫体。
随着计算机技术的飞速发展，对泡沫材料进行复杂的几何建模和进行有限元 分析成为一种行之有效的方法例如,Laroussi等对开孔泡沫十四面体模型的 非线性响应进行数值研究,给出与Zhu等血的理论分析一致的结果，还得到了以前 模型中所没得到的高应变下的应力一应变平台区Kwen等了也用有限元法 (finite ele2ment method , FEM)和十四面体模型计算开孔金属泡沫和具有弹性 填充物材料的弹性模量及破坏强度，获得较为满意的计算结果但是，国内在该领 域的研究尚属空白.ROBERTS^分别研究了开孔和闭孔泡沫的弹性性能LI等皿⑷ 对孔隙形状及壁厚度的影响进行了研究KAXIT等敗对RVE的尺寸大小进行了研 究Gurson模型再任性损伤断裂分析中有着广泛应用，在此基础上许多改进的模 型被用于孔隙材料的损伤分析：ir，7]o从当前的研究中发现，大部分研究都采用了 一定数值模拟方法，这得益于数值分析理论和现代计算机技术的发展胞在多孔 材料的力学行为研究方面，有限兀的方法也被引入进来CHUNG等曲用有限兀对 聚碳酸醋酯蜂窝材料在而内受床缩的情况进行了数值模拟Chen等⑼如利用 ABAQUS梁单元模拟了金属蜂窝结构的弹性模量、弹性屈服、塑性屈服等影响。
ANDREWS等凶用有限元方法分析了缺陷尺寸和胞元尺寸对铝蝶窝的动力学行为 这些研究有力的推动了对多孔材料变形破坏行为的机理研究但H前的有限元模 拟研究还主要局限在对于蜂窝材料等规则多孔材料的研究彭瑞东等⑵基于 ANSYS对复杂多孔材料的数值模拟方法进行了研究参考文献[1]刘培生.多孔材料引论[M].北京：清华大学出版社，2004[21GIBSON LJ, ASHBY M F. Cellular solids: structure and properties (2nd Edition)[M].UK:Cambridge University Press,!997.[3JGRENESTEDT JL. Effective elastic behavior of some models for perfect cellular so!ids[J].International Journal of Solids and Structures, 1999,36( 10): 1471 -1501.[4]CHRISTENSEN R M. Mechanics of cellular and other low-density materials[J]. International Journal of Solids and Structures,2000,37( 1 ):93-104.f5]ZHU HX, HOBDELL J R, WINDLE A H. Effects of cell irregularity in the elastic properties of 2D Voronoi hon eycombs[JJ. Jour nal of the Mechanics and Physics of Solids,2001,49(4):857-870.[6] ZHU H X, WINDLE AH. Effects of cell irregularity on the high strain compression of open-cellfoams[J]. Acta Materialia.2002,50(5): 1041-1052.[7] GONG L, KYRIAKIDES S, TRIANTAFYLLIDS N. On the stability of Kelvin cell foams under compressive loads[JJ.Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2005,53(4):771-794.[8] ROBERTS A P, GARBOCZI E J. Elastic properties of model random three-dimensional open-cell solids[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2002,50(1):33-55.[9JROBERTS A P, GARBOCZI EJ. Elastic Moduli of model random three-dimensional open-cell cellular solidsfJ]. Acta Materialia,2001,49(20:189-197.[10JLI K,GAO X L,SUBHASH G Effects of cell shape and cell wall thickness variations on the elastic properties of two-dimensional cellular solids[J].Intemational Journal of Solids and Struc。