泡沫铝特性仿真分析方法三

魏鹏采用C程序编程建立了泡沫铝结构的随机二维模型，做出了3种结构：不均匀结构、均匀结构和大孔缺陷结构，如图3所示，这种随机模型比传统的二维蜂窝结构模拟更准确，但是采用二维模型不能准确评估闭孔泡沫铝的壳或膜状孔壁结构，且孔一律为圆孔，无法模拟孔的不规则形状、孔壁的褶皱等缺陷，与实际情况并不是十分相符。对泡沫铝的微观结构进行精确地模拟是相当困难的，而X射线层析照相技术很好地解决了这一问题，重构后的泡沫铝3D模型能够非常精确地还原真实结构，如图4所示。首先从样品的不同方向进行断层扫描，然后利用计算机程序(例如VOXELCON或者TRI/3D-BON)重构出立体图形，再对重构的模型划分3D网格，如图5所示，因泡沫铝的内部结构较复杂，需要绘制精细的网格，在1cm3的样品上生成单元和节点分别为85 600和166 302个。值得一提的是通过层析照相技术跟踪分析泡沫铝的变形过程，能够观察到变形带的产生过程，从而更好地理解其变形机制。

随着对泡沫铝本构模型研究的深入，人们发现将本构关系引入到有限元模型中，可以节省大量建模时间，不必再去建立复杂的泡沫铝微观模型。现有的商业有限元软件如LS-DYNA、ABAQUS等都已经集成了大量泡沫铝本构模型。LS-DYNA中的5号材料模型，适用于可压扁泡沫，但不能模拟材料失效的问题，与之相似的14号模型则可定义单元失效，使仿真更趋于真实。193号材料也可以用来模拟泡沫材料，但更适用于对岩土、聚氨酯泡沫的仿真。26号和126号材料，更适用于各向异性材料，如蜂窝结构、开孔泡沫等，对本文讨论的闭孔泡沫铝不适用。63号、163 号材料适用于各向同性泡沫材料，其中163号材料考虑了应变率效应，但需要-组不同的应力-应变曲线来定义。75号材料模型同样适用于各向同性材料，且需要压力和VonMisis应力来定义屈服面函数。以Deshpande-Fleck模型为基础，经REYES等改进的模型已经被集成到LS-DYNA的154号材料模型中，其屈服面函数定义方法与75号材料相似，但其形状系数a被假设为一个常数，实际上随密度和致密化程度的不同，形状系数是不相同的。HANSSEN对多种泡沫铝本构模型进行了验证，包括LS-DYNA中的26、63、75、126号材料模型，ABAQUS中的可压扁泡沫模型，以及上述Deshpande-Fleck模型和Miller模型等，研究结果表明并没有一个材料模型能够精确地模拟所有各类载荷(如拉伸、压缩、冲击、静水压缩)下的屈服特性，产生这种情况的原因可能是局部失效机制、 压缩过程中压缩率的变化等没有 被考虑到这些模型中。因此JING提出一种改进的本构模型，添加到LS-DYNA的用户自定义模型中，通过单向压缩试验和对角负载试验发现，新的模型与LS-DYNA中的5、63、75、154 号材料模型相比取得了更加准确的结果，并且新模型具有良好的数值稳定性。