泡沫材料的非线性力学行为及失效研究

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雅宝题库解析：
泡沫材料在汽车工业、航空航天等方面都有广泛的应用，而泡沫材料在循环加载情况下的力学行为研究仍不成熟，且高密度泡沫材料力学行为方面的研究亦不系统。本文主要针对用于保险杠填充的低密度聚合物闭孔泡沫材料的单轴循环加卸载行为，高密度金属泡沫的弹、塑性和有限变形行为以及金属泡沫变形模式对泡沫填充金属圆管的力学行为的影响进行了深入研究。论文的主要研究内容及成果包括：1）通过试验和理论方法研究了一种用于保险杠的低密度聚合物闭孔泡沫材料的循环加卸载力学行为。实验研究了几何尺寸和位移加载率对材料力学行为的影响，同时讨论了预加载过程的作用，揭示了残余应变的变化规律；对考虑残余应变的伪弹性模型进行了修正，并通过有限元实现，数值证明，该模型比较适合于描述保险杠泡沫材料的卸载过程。2）在Rajagopal and Srinivasa(2000)的热力学框架下，将不可压缩的黏弹性模型推广到可压缩黏弹性模型，进而提出了一种可压缩的黏塑性模型，可分别用不变量和主伸长量来表示，并将上述模型用于描述保险杠泡沫材料的循环加卸载过程，效果较好。3）利用修正的Mori-Tanaka(MT)方法得到了泡孔为简单立方(SCC)、体心立方(BCC)、面心立方(FCC)排列情况下三种闭孔泡沫材料的弹性模量、剪切模量和泊松比。将预测结果与经典MT方法、有限元结果和实验结果进行了比较。研究发现，对于金属泡沫，实验得到的弹性模量远小于理论结果，实验得到的剪切模量与理论结果相差不大，修正的MT方法并不总是比传统的MT方法好，这与泡沫材料的泡孔排列情况有关。4）利用二维有效应力和平均应力的描述方法，推导了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，得到了用特征平均应力和特征应力描述的屈服面方程；并且，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，并用前面得到的屈服面方程进行描述。同时，为了更好地描述高密度泡沫的动态压缩行为，对理想刚塑性自锁模型(RPPL)进行了扩展，使其可以同时反映密度和横截面的变化，理论模型和有限元结果吻合很好。5）基于热力学第二定律(Clausius-Duhem不等式)，研究了泡沫铝在有限变形下的非线性应力-应变关系，给出了不考虑黏性和考虑黏性两种情况下的有效幂律势函数表达式和应力表达式；通过引入内变量和内变量的演化方程，研究了泡沫材料在变形过程中的黏性效应，通过数值算例，分析了细观力学方法，讨论了材料的内变量，孔隙度，以及黏性系数等参数对材料应力-应变曲线的影响。6）将泡沫填充圆管的平均压溃载荷视为圆管、泡沫及圆管与泡沫相互作用三者之和，基于改进的直链塑性铰模型，研究了两种泡沫变形模式对金属泡沫填充圆管准静态压缩行为的影响，得到了新的最优屈曲半波长和平均压溃载荷的理论计算公式，并研究了两种泡沫变形模式下，偏心率和塑性角参数对最优屈曲半波长和平均压溃载荷的影响。