1、毕业设计开题报告 机械设计制造及其自动化 基于微观角度的多孔缓冲材料的压缩分析 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 本课题国内外研究动态 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。 较早可追索到 1963 年， Gent 和 Thomas1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
2、对密度成正比。 随后在他们工作的基础上 ,Matonis提出了立方板结构模型来模拟闭孔泡沫塑料的力学行为。 在 Gent和 Thomas弹性支柱模型基础上， 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 Knipschild（ 1975年）又基于五边十二面体模型，得到了预测硬质聚氨酯
3、泡沫塑料拉伸、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间，因而，该模型只能作为一种近似模型使用。且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象的表征为具有 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一起，就构成了开孔泡沫体的整体。
4、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、胞体壁性能之间的关系。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 E*与相对密度 （其中 R ， 为泡沫密度， 为基体密度）间的简单关系为： 。 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，并且在力学方面不够严格。 在此之后， Warren和 Kraynik（ 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。 截面为
5、 Plateau 截面的四面体模型 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面形状，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，支柱弯曲是具有四面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
6、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，还讨论了开孔泡沫塑料的应力松弛问题。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塑料的实验数据相符合，尤其是可以很好地描述硬质泡沫塑料、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，目前在国内外的航空、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
7、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面体孔隙单元。这些单元八面体错落有致地分布在三个相互垂直的三维方向上（指八面体的轴线方向），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 应变平台区。 Kwen 等也用有限元
8、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。 选题的依据和意义 仪器在输运及使用时，都有可能遇到碰撞或振动干扰等各种意外，因此我们需要对这些设备仪器作些缓冲或减振等防范措施，选择一些缓冲性能或减振性能好的材料进行防护。常用的缓冲减振材料 (泡沫塑料或泡沫硅橡胶等 )属于低密度多孔介质，这类材料的变形过程大致可分为三个阶段：弹性区、屈服平台区和压实区，如 图 1所示。由于其平台区很宽，因此它的吸能效果很好，又由于其平台值较低，因此在介质被压实之
9、前不可能传递超过平台值的力，是种缓冲性能好的材料。另外，它的刚度低，尤其是一些柔软的多孔介质，还是一种减振性能好的材料。研究低密度多孔介质的缓冲特性和减振特性，并给出恰当评估，这对于合理选择材料，优化设计是十分有用的。 结合 ANSYS 有限元软件，对复杂多孔材料数值模拟所涉及的几何建模、单元划分和材料选择等共性问题进行了研究探讨。利用程序生成了具有某种统计分布特征的随机数序列，并将其作为孔隙半径及位置坐标，建立了复杂多孔材 料的几何模型。选择合适的材料本构模型，借助单元生死技术，模拟了多孔材料的损伤破坏过程 .多孔固体具有体密度小、比表面积大、比力学性能高、阻尼性能好等特点，已成为一种优秀的
10、新型功能结构材料。由于其优异的物理、力学性能，且兼具功能和结构的双重属性，多孔材料被广泛应用到航空航天、电子通讯、交通运输、原子能、医学、环保、冶金、机械、建筑、电化学和石油化工等领域，涉及分离、过滤、布气、消音、吸震、包装、热交换、隔热阻火、电磁屏蔽、电化学过程、催化反应工程和生物工程等诸多方面的用途，在科学技术和国民经济建设中发挥着巨大的 作用。近些年来，多孔材料得到了迅速的发展，研究工作十分活跃。 无论是制备工艺技术的创新和改善，还是各种物理、力学性能的研究和利用，都取得了长足的进展。 材料的多孔化，给原来的材料赋予了崭新的优异性能。这种广阔的性能延伸，使多孔材料具备了致密材料难以胜任的
11、用途，提供了工程创造的潜力，大大拓宽了其在工程领域的应用范围。总的看来，多孔材料均朝着高孔率、结构均匀、力学性能优良的方向发展，除了作夹层板芯等结构材料以及隔热材料等少数用途需要闭孔隙外，绝大多数应用均是在保证基本强度使用要求的基础上追求高孔率、高比表面积和高 通孔率，以使产品的使用性能达到最佳状态。 二、 研究的基本内容，拟解决的主要问题： 1. 采用压缩实验法、力学模型解析法和微观结构模拟法，对多空材料缓冲性能进行研究。使用 FEMB 和 LS-DYNA 有限元软件建立多孔材料的微观孔洞模型，并模拟其微观结构变形过程。通过对发泡材料应力应变曲线和微观结构变化情况，分析其压缩性能。 三、 研
12、究步骤、方法及措施： 对 多孔缓冲 材料的结构进行微观描述，将其多孔结构简化 并利用造型软件建立模型。 利用 使用 FEMB 和 LS-DYNA 有限元软件 对 多孔缓冲 材料 进行模拟 压缩实验 ,通过对发泡材料应力应变曲线 和微观结构变化情况，分析其压缩性能 。 四、参考文献 1 张 凡 .我国运输包装质量状况分析 J.出口商品包装， 2003， 12(3)： 1719. 2 李沛生 .打开设计包装“新天地” J.中国经济导报， 2005.6.27. 3 路冰琳 .发泡缓冲材料的检测与评价 J.中国包装工业， 2005， (3)： 5456. 4 梅冬初 .产品脆值在缓冲包装设计中的应用
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