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泡沫金属由于其独特的结构而具有许多优异的性能,如具有超轻型、高强度比、吸声、隔声、隔热、散热、阻燃、减振、吸收冲击能、电磁屏蔽等性能,在航空航天、汽车工业、建筑等领域展现了广泛的应用前景。因此对泡沫金属力学性能的研究,特别是对泡沫金属的基本参量一弹性模量和泊松比的研究,具有重要的理论意义和实际应用价值。
20多年来,多孔材料方面的研究取得了重大进展。Ashby和Gibson等创建了多孔材料分析研究模型-Gibson-Ashby模型和相关理论,是多孔材料界公认的经典模型理论,在泡沫金属的研究工作中得到广泛的应用。本文利用Gibson-Ashby模型对泡沫金属的力学性能进行理论研究和有限元分析,得到了与前人相吻合的结果。
首先,本文总结了近年来科研人员在泡沫金属材料静态力学性能上的研究成果,介绍了泡沫金属的静态力学性能、影响因素及静态本构关系。
其次,本文利用Gibson-Ashby模型对泡沫金属的基本参量-弹性模量和泊松比进行理论分析,建立了泡沫金属在不同筋条截面形状下相对弹性模量和泊松比随着相对密度变化的关系。将所得的相对弹性模量和Nieh等人的实验结果进行比较,结果表明两者相吻合;将所得的泊松比与Roberts等人的有限元分析结果进行比较,结果表明两者相吻合。
最后,本文用ANSYS程序对Gibson-Ashby模型进行有限元分析,得到泡沫金属在方形筋条截面形状下随着相对密度变化的弹性模量和泊松比。然后将所获得弹性模量与基体材料的弹性模量的比值,即泡沫金属相对弹性模量,与Nieh等人的实验结果和本文的理论分析结果进行比较,结果表明这三者相吻合。将所得的泊松比与Roberts等人的有限元分析结果和本文的理论分析结果进行比较。结果表明这三者相吻合。
研究表明,在相对密度相同的情况下,开孔泡沫金属材料的筋条截面惯性矩越大,其弹性模量越大,而泊松比越小。本文中Gibson-Ashby模型的理论分析、计算结果与Nieh等人的实验结果、Roberts等人的有限元分析结果相吻合。说明本文采用的理论分析和有限元方法是行之有效的,对进一步研究泡沫金属的其它性能具有重要的参考价值。