泡沫铝特性仿真分析方法二

针对泡沫铝的微观结构建模，人们将泡沫铝简化为理想的简化模型，比如二维模型中六边形蜂窝结构，3D模型中的六面体、十二面体、十四面体、椭球模型等。最早GIBSON等提出了正六面体框架模型，该模型由12根孔棱和6个孔面组成，如图2a所示，并据此推导出本构模型等多种重要理论，是当时非常经典的微观结构模型，在国际同行中引起了普遍认同和广泛关注。但正六面体模型为理想化的模型，且GIBSON等认为闭孔泡沫体的刚度完全来自于孔棱，与孔面无关，将其模量等同于开孔泡沫铝，从而造成了一定的误差。十四面体模型也经常被用来模拟泡沫铝的力学行为，尤其是动态冲击领域，如图2b所示，一个十四面体单元由6个四边形和8个六边形组成，但这种单一的重复单元并不能模仿真实泡沫结构中的多样性，导致计算出的泡沫铝刚度与试验值相差较大。泡沫铝的结构还可以通过随机Voronoi模型来模拟，Voronoi模型与泡沫结构具有相似的物理结构，如图2c所示为闭孔泡沫铝的Voronoi模型。Voronoi模型是指封闭的或者非封闭的多边形区域集合，每个多边形区域中仅含点集中的一个点，区域中的任何位置到该点的距离都小于到点集中其他任何点的距离。首先通过控制点与点间最小距离的方法在给定区域内随机生成多个点，然后生成Delaunay三角网格和Voronoi图，从而方便地生成泡沫铝的随机框架模型。比较十四面体模型和Voronoi模型发现，在同等条件下，Voronoi模型仿真的平台应力总大于十四面体模型，即Voronoi模型具有更强的吸能能力。