六、闭孔泡沫铝及其夹芯结构的高温力学行为研究

闭孔泡沫铝的压入力学行为

压痕实验是建立在接触力学基础上的一种测试材料硬度、弹性模量以及屈服强度等力学性能的实验方法。尤其是在对薄膜材料的力学性能分析和测量中，由于难以用拉伸实验测量薄膜试件，压痕实验方法就成为最主要的实验测试手段。由于压痕实验简单易行，成本低廉，可信度高，在同一试件上可以多次实验，能弥补传统实验方法的不足同时又不具破坏性，因此压痕实验有着广泛的应用，已成为工业界和科研领域对材料性能表征的标准方法和研究手段。

目前对泡沫金属力学行为的研究主要集中于单轴压缩响应，而对泡沫金属在局部载荷作用下的力学响应研究较少。在单轴压缩过程中，泡沫金属处于一个整体均匀的应力状态之下，其宏观变形是均匀的。然而，在实际应用中，作为冲击防护材料，泡沫金属经常会与各种形状的物体发生碰撞，经受局部载荷作用而产生局部压入变形。由于局部压入变形在变形机制上涉及压缩、剪切和弯曲等，变形的微观机制和吸能机理更加复杂。作为冲击吸能材料，深入研究泡沫金属的压入变形行为很有必要，但如何评价泡沫金属材料的抗压入性能，目前国内外尚未形成相关的标准。柳畅等利用泡沫金属压痕试验的有限元数值模拟结果，结合无量纲分析法构造出的一系列无量纲函数，建立了泡沫金属压痕试验中载荷-压痕深度关系曲线与泡沫金属的弹塑性材料参数之间的联系，然后根据反演法分析确定了泡沫金属的材料参数，验证了利用常规压痕试验来确定泡沫金属弹塑性材料参数的可行性并认为压入实验能够为研究泡沫金属的力学性能提供另外一种选择。Yan 等人采用量纲分析和有限元数值模拟研究了泡沫金属的球头压痕响应，并讨论了一些基本材料参数，如孔隙率、加工硬化指数和形状因子等对压痕响应的影响。在实验研究方面，主要是通过不同形状压头深压入（塑性压入）实验来研究泡研究结果表明，闭孔泡沫铝在压入沫金属的压入加载时的变形集中在压头下方的局部区域内。低速冲击压入时，当压入速度大于~10m/s，闭孔泡沫铝在压入过程中吸收的能量显著增加。Ramamurty 等从能量的角度，通过实验和理论分析证实了利用压入试验获得泡沫金属某些力学性能（如剪切力和撕裂能量）的可能性。Lu等采用有限元数值模拟研究了泡沫铝在平头压头动态压入时的响应，并考虑了压入过程中的两种能量耗散机制：压头下方泡沫压缩和压头周边泡沫撕裂。计算结果和理论分析结果吻合较好，再现了压入实验中铝泡沫的变形情况。

泡沫金属材料力学性能测试过程中一个很重要的问题就是与胞元尺寸相关的试件尺寸对材料性能测试结果的影响。因为泡沫金属材料特殊的胞孔结构特征使泡沫金属具有与普通实体材料规律截然不同的尺寸效应，胞元尺寸、压头直径、试件尺寸以及压入深度等都可能会影响其力学性能。事实上，在泡沫金属复合结构设计中尺寸效应也很重要，因为许多结构组件的尺寸可能只有有限几个胞元直径的大小。压入实验中，Olurin等认为压头压入位置距离泡沫试件边缘1~2个压头直径的距离时，边界效应的影响可以忽略；试件厚度方向至少两个压头直径大小时底面支撑边界条件的影响可以忽略。当压头受到底面支撑边界影响时，泡沫金属压入载荷会急剧上升。Chen等通过实验和有限元模拟研究了泡沫金属受约束变形时的尺寸效应。通过对泡沫铝板的剪切和正向压缩研究发现，面板对泡沫铝塑性变形的约束会导致尺寸效应：泡沫铝的屈服强度随着泡沫铝板厚度减小而增大。 Onck以及Tekoglu等人分别采用二维 Voronoi 模型详细研究了泡沫材料在压缩、剪切、压入和弯曲过程中的尺寸效应，并与文献中的实验结果进行了比较。总的来说，随着试件尺寸的增大，Voronoi试样的宏观有效刚度和强度在压缩和弯曲时降低，而在剪切和压入时升高。