1、本科毕业论文（20 届）基于微观角度的多孔缓冲材料压缩分析所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文II摘要本文采用微观结构模拟法，对多孔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。首先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。将现场发泡材料的孔穴简化为蜂窝结构，在有限元前处理软件 FEMB 中建立模型。使用 FEMB 软件完成第一步前处理，使用 LS-DYNA
2、 软件完成后两个步：分析计算和后处理。 对不同规则的多孔蜂窝材料模型施加 10mm/s、20mm/s、50mm/s、100mm/s 的压缩速度进行压缩，并对不同载荷情况的压缩进行研究，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。关键词：多孔缓冲材料；有限元；蜂窝模型；压缩性能；微观本科生毕业论文IIIABSTRACTCushioning property is studied with microstructure simulation method of porous materials in this paper. Using FEMB and ls-dyna finit
3、e element software porous materials micro hole model is built and microstructure deformation process is simulated. Through the foaming material stress-strain curve and microcosmic structure change, analyzes its compression performance. Firstly the structure of porous buffer material, the micro porou
4、s structure described the simplified and use modelling software model. Will the site foaming material for cellular structure, simplified caities which act in finite element software processes in FEMB before established model. I use FEMB software first step pretreatment, using ls-dyna software after
5、the completion of the two steps: analytical calculation and post-processing. To different rules of porous honeycomb material model 10mm/s, 20mm/s, 50mm/ s, 100mm/s compression speed compression of different load conditions, and the compression, through the foaming material stress-strain curve and mi
6、crocosmic structure change, analyzes its compression performance.Keywords: porous cushioning materials; finite element; cellular model; the compression performance; micro本科生毕业论文IV目 录前言 .1第 1 章 绪 论 .21.1 多孔材料的基本概述 .21.2 多孔缓冲材料的应用现状 .21.3 多孔缓冲材料微观结构的研究历史 .21.3.1 多孔缓冲材料的典型结构 .31.3.2 多孔缓冲材料的结构参数 .41.3.3
7、 多孔材料力学模型的理论研究进展 .5第 2 章 多孔缓冲材料压缩特性及有限元理论基础 .72.1 多孔缓冲材料应力应变曲线特征 .72.2 有限元方法 FEM 简介 .72.2.1 有限元法分析计算的基本思想 .72.2.2 常用有限元单元描述 .82.2.3 有限元分析软件 FEMB、LS.DYNA 简介 .8第 3 章 多孔缓冲材料的有限元前处理 .93.1 建立蜂窝模型 .93.2 FEMB 前处理 .103.3 模型 AE 的压缩过程模拟 .11第 4 章 实验结果的有限元分析 .144.1 规则蜂窝模型与不规则蜂窝模型的比较 .144.2 压缩速度对模型压缩过程的影响 .154.3
8、 有限元模拟法获得结果的分析 .18小结 .19致 谢 .20参考文献 .21本科生毕业论文V附录 1：模型 A 的 K 文件 .24附录 2：模型 C 的 K 文件 .31附录 3：模型 E 的 K 文件 .43本科生毕业论文1前言目前，对于多孔材料还没有一个统一、严格、公认的定义。一般来说含一定数量孔洞的固体都叫多孔材料。多孔材料是由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成。孔道纵横交错、互相贯通的多孔体，通常具有 3060体积的孔隙度，孔径 1100 微米。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
9、“蜂窝”材料；另一种是由许多多面体形状的孔洞聚集形成的三维空间结构, 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； 而有些孔洞则是半开孔半闭孔的。多数学者将多孔材料和泡沫材料视为等同概念。 多孔材料在自然界中普遍存在如木材、软木、海绵和珊瑚等。千百年来，这些天然的多孔材料被人们广泛利用。近代人们开始自己制造多孔材料，其中最简单的是由大量相似的棱形孔洞组成的蜂窝状材料，可用作轻质构件。更常见的是高分子泡沫材料，其用途广泛，可用于小到随处可见的咖啡杯，大到飞机坐舱的减震垫。现
10、代技术的发展使得金属、陶瓷、玻璃等材料也能像聚合物那样发泡。这些新型泡沫材料正逐渐地被用作绝缘、缓冲、吸收冲击能量的材料，从而发挥了其由多孔结构决定的独特的综合性能。对多孔材料而言，最重要的结构参数有以下几个：孔的类型：孔的类型一般可分为闭孔和通孔两种，前者含有大量独立存在的孔洞，而后者则是连续畅通的三维多孔结构。孔隙率：孔隙所占体积与总体积之比称为孔隙率。通常将通孔体积与表观体积的百分比称为通孔率，闭孔体积与表观体积的百分比称为闭孔率，多孔材料内相互连通和不连通的所有微小孔隙的总体积与该多孔材料的总体积之比，称绝对孔隙率或总孔隙率。孔径：多孔材料的基本参数，一般以孔隙平均直径作为孔径的衡量指
11、标。孔径小于 2 微米为微孔材料，孔径在 2.50 微米之间为中孔材料，孔径大于 50 微米为粗孔材料。根据体积、面积孔径相等的原理取任意截面的试样测量计算空隙平均直径，作为其孔径。孔的形状：多孔材料是由许许多多孔洞组成，其孔洞形状和分布对其性能也有一定影响。对平面状态，主要有以下几种形状。而对三维空间常见的形状。本科生毕业论文2第 1 章 绪 论1.1 多 孔 材 料 的 基 本 概 述目前，对于多孔材料还没有一个统一、严格、公认的定义。一般来说含一定数量孔洞的固体都叫多孔材料。多孔材料是由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成。孔道纵横交错、互相贯通的多孔体，通
12、常具有 3060体积的孔隙度，孔径 1100 微米。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；另一种是由许多多面体形状的孔洞聚集形成的三维空间结构, 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； 而有些孔洞则是半开孔半闭孔的。多数学者将多孔材料和泡沫材料视为等同概念。 多孔材料在自然界中普遍存在如木材、软木、海绵和珊瑚等。千百年来，这些天然的多孔材料被人们广泛利用。近代人们开始自己制造多孔材料，
13、其中最简单的是由大量相似的棱形孔洞组成的蜂窝状材料，可用作轻质构件。更常见的是高分子泡沫材料，其用途广泛，可用于小到随处可见的咖啡杯，大到飞机坐舱的减震垫。现代技术的发展使得金属、陶瓷、玻璃等材料也能像聚合物那样发泡。这些新型泡沫材料正逐渐地被用作绝缘、缓冲、吸收冲击能量的材料，从而发挥了其由多孔结构决定的独特的综合性能 1。1.2 多 孔 缓 冲 材 料 的 应 用 现 状在物品流通过程中，因受外力的作用而遭受到冲击和振动时，多孔缓冲材料能吸收外力产生的能量，以防止产品受损坏 2。因此，多缓冲材料主要用于包装物品。包装用多孔缓冲材料广泛应用于家用电器、仪表仪器、陶瓷玻璃等各种易损易碎物品。而
14、发泡塑料是目前应用最广泛的多孔缓冲包装材料。常用的发泡塑料有发泡聚苯乙烯（PS）、发泡聚乙烯（PE）、发泡聚氨酯（PU）等 3。这类材料的共同特点是内部有许多微小孔隙，因此具有阻止空气对流的作用。它不易传热、比重轻、吸音隔声，不怕潮湿、吸水性小还具有弹性 4。1.3 多 孔 缓 冲 材 料 微 观 结 构 的 研 究 历 史自然界中存在着多孔材料（Cellular Materials），如木材、海绵、骨骼等（如图 1.1），并且己经被人类使用了数千年。在 多 年 前 的 古 埃 及 金 字 塔 中 就 已 经 使 用 了 木 制 建 材 在 罗 马 时 代 软 木 就 被 用 作 酒瓶 的 瓶
15、 塞 。 近 代 人 们 开 始 自 己 制 造 多 孔 材 料 ， 其 中 最 简 单 的 是 由 大 量 相 似 的 棱 形 孔 洞 组 成 的 蜂 窝 状 材料 ， 可 用 作 轻 质 构 件 。 更 常 见 的 是 高 分 子 泡 沫 材 料 ， 其 用 途 广 泛 ， 可 用 于 小 到 随 处 可 见 的 咖 啡 杯 ， 大到 飞 机 坐 舱 的 减 震 垫 。 现 代 技 术 的 发 展 使 得 金 属 、 陶 瓷 、 玻 璃 等 材 料 也 能 像 聚 合 物 那 样 发 泡 5。 这些 新 型 泡 沫 材 料 正 逐 渐 地 被 用 作 绝 缘 、 缓 冲 、 吸 收 冲 击
16、 能 量 的 材 料 ， 从 而 发 挥 了 其 由 多 孔 结 构 决 定 的独 特 的 综 合 性 能 。 它以其优异的力学性能和多种应用功能引起了人们的浓厚兴趣和研究，被制作成各种材本科生毕业论文3料为基底的蜂窝状结构和泡沫状结构新型的工程材料 6 。随着科技发展，人工多孔材料应用也日渐广泛（如图 1.2）。图 1.1 天然多孔材料 7图 1.2 人工合成的多孔材料 81.3.1 多 孔 缓 冲 材 料 的 典 型 结 构多孔缓冲材料典型的孔结构有：一种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；另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
17、似于蜂房的六边形结构而被称为“蜂窝”材料 9。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；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；而有些孔洞则是半开孔半闭孔的 10，如图 1.3 所示。本科生毕业论文4图 1.3 多孔材料的典型结构 11多孔缓冲材料的主要物理特征是孔隙尺寸微小、高孔隙率、孔径相对于壁厚较大 12，。多孔材料的这些表面物理特征产生的特殊作用，使其成为一种具有比强度高、相对密度低、比表面积高、渗透性好、重量轻、隔音、隔热的功能材料，在航空、航天、化工、建材、冶金、原子能、石化、机械、医药和环保等许多领域具有广泛的应用前景。1.3
18、.2 多 孔 缓 冲 材 料 的 结 构 参 数对多孔材料而言，最重要的结构参数有以下几个：孔的类型：孔的类型一般可分为闭孔和通孔两种，前者含有大量独立存在的孔洞，而后者则是连续畅通的三维多孔结构。孔隙率：孔隙所占体积与总体积之比称为孔隙率。通常将通孔体积与表观体积的百分比称为通孔率，闭孔体积与表观体积的百分比称为闭孔率，多孔材料内相互连通和不连通的所有微小孔隙的总体积与该多孔材料的总体积之比，称绝对孔隙率或总孔隙率。孔径：多孔材料的基本参数，一般以孔隙平均直径作为孔径的衡量指标。孔径小于 2 微米为微孔材料，孔径在 2.50 微米之间为中孔材料，孔径大于 50 微米为粗孔材料。根据体积、面积
19、孔径相等的原理取任意截面的试样测量计算空隙平均直径，作为其孔径。孔的形状：多孔材料是由许许多多孔洞组成，其孔洞形状和分布对其性能也有一定影响。对平面状态，主要有以下几种形状，如图 1.4 所示。而对三维空间常见的形状，如图 1.5 所示。图 1.4 多孔材料的二维形状 图 1.5 多孔材料的三维形状孔的分布：分布 Aboav.Weair 定律和 Euler 定律给出了较为通用的多孔材料中孔分布情况：在二维条本科生毕业论文5件下，每个孔洞的平均边数为 6；在三维空间，每个面的平均边数依赖于每个孔洞所具有的面数，一般为五边形。1.3.3 多 孔 材 料 力 学 模 型 的 理 论 研 究 进 展多
20、孔材料二维蜂窝模型的研究现状：P.R.Onck 等研究了尺寸效应在等轴和剪切载荷下对规则六边形蜂窝结构的弹性模量和强度的影响，推导出了关于蜂窝尺寸的弹性模量和屈服强度公式，并将此结果扩展到了其他结构的多孔缓冲材料中 13。德国 EADS 研究中心采用 LS.DYNA 模拟了复合蜂窝结构在各种载荷下的不同变形，论述了主要的失效形式 14。西门子公司研究人员采用有限元技术描述了蜂窝结构晶胞壁形状和密度对于规则和随机蜂窝模型的力学性能的影响。从 Gibson.Ashby 公式入手，将解析模型扩展到描述不同晶胞壁形状对蜂窝结构弹性性能的影响，并修改了此解析模型以使任意参数值能够符合随机 Voronoi
21、 蜂窝模型的有限元模拟结果。结果得出杨氏模量很大程度是依赖于晶胞壁形状 15。密歇根大学使用有限元法和 Voronoi 棋盘形布置技术研究了不均匀壁厚和不规则晶胞形状的二维蜂窝结构的微观结构与性能关系。研究结果表明弹性模量随壁厚不均匀度的增大而减小，随晶胞形状不规则度的增大而增大。弯曲仍是不规则蜂窝模型的主要变形机制 16。H.X.Zhu 等采用有限元法研究了二维 Voronoi 模型。结果表明这种模型在同一相对密度时二维 Voronoi模型越不规则，它的等效杨氏模量和剪切模量越大，体积模量越小 17。中国科技大学使用有限元研究了二维多孔蜂窝结构的动态冲击行为。他们采用两种不规则的二维蜂窝模型和 Voronoi 模型。实验结果显示不规则模型比规则模型的变形更为复杂；在不同冲击速度下模型变形过程出现了随机剪切带和分层坍塌带 18。多孔材料三维力学模型的研究进展：Gent 和 Thomas 提出的弹性支柱网络模型和立方体结构模型（图 1.6、图 1.7）。Gent 和 Thomas 采用这两种模型描述了这种材料的力学行为，并模拟了泡沫材料的压缩应力应变关系，给出了弹性模量的预测结果。结果表明，在低密度条件下，泡沫材料的弹性模量与相对密度成正比 19。图 1.6 弹性支柱网络模型 图 1.7 立方体结构模型
