泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能有限元模擬的現(xiàn)狀與展望

田克楠，王錄才，王艷麗，游曉紅

（太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024）

泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能有限元模擬的現(xiàn)狀與展望

田克楠，王錄才，王艷麗，游曉紅

（太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024）

本文主要概括了泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)動態(tài)力學(xué)問題的研究進(jìn)展，簡單總結(jié)了影響泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的主要因素：面板和芯體材料的性能，結(jié)合方式及應(yīng)變率。最后，介紹了利用有限元模擬泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)壓縮性能和吸能性的研究現(xiàn)狀，對泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀提了一些觀點(diǎn)。

泡沫夾層結(jié)構(gòu)；壓縮性能；吸能性

泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)是由不同材料組合而成的，可分為泡沫夾層結(jié)構(gòu)和填充管結(jié)構(gòu)兩種。泡沫夾層結(jié)構(gòu)主要由上、下面板和芯體組成，一般采用金屬薄板或復(fù)合材料作為面板材料，輕質(zhì)、高強(qiáng)度且吸能性較好的泡沫材料作芯體，例如：泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)（A l umi n um F o a m S an d w ich，A F S），如圖1a）中所示。填充管結(jié)構(gòu)是用泡沫芯體來填充金屬薄管，主要分為方管填充結(jié)構(gòu)和圓管填充結(jié)構(gòu)，如圖1中b）和c）所示。近年來，泡沫夾芯結(jié)構(gòu)在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，主要由于其具有以下優(yōu)點(diǎn)[1]：（1）輕質(zhì)，比強(qiáng)度和比剛度高；（2）突出的耐壓縮蠕變性能；（3）耐腐蝕性和耐疲勞性較好，使用壽命長；（4）較高的能量吸收能力；（5）隔聲、隔熱、減震等性能優(yōu)越。

圖1 泡沫夾芯結(jié)構(gòu)

1 影響泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的因素

泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)是由面板（蒙皮）與泡沫鋁芯體組成的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)。宏觀上，它具有夾心結(jié)構(gòu)的復(fù)合特征，在其應(yīng)用中，力學(xué)性能作為重要的參考因素。眾多研究結(jié)果表明[2]影響泡沫夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的因素主要有：（1）泡沫夾層結(jié)構(gòu)材料的影響；（2）泡沫夾層結(jié)構(gòu)的結(jié)合方式；（3）不同的應(yīng)變率（加載速率）。

1.1 泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)材料的選擇

1.1.1 面板材料的影響

面板材料的選擇會對泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響，即面板材料不同，力學(xué)特性也不同：①如果泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的上、下面板選用質(zhì)地相同且強(qiáng)度較低的材料，在沖擊載荷作用下，泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)就會受到壓縮，易產(chǎn)生較大的彎曲變形并最終被壓實(shí)。②如果上、下面板均采用質(zhì)地較“硬”的材料時，受到?jīng)_擊時，由于面板材料剛度大，變形小，泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)彎曲和壓縮變形也會很小，吸收的能量相對較少。③如果上下面板的材料性能差異較大時，即上面板采用較“軟”的材料，而下面板采用硬度高的材料，且上面板為受沖擊的面時，泡沫鋁的壓縮變就會形變大，吸收的能量也會增多[3]。

面板厚度對夾層結(jié)構(gòu)的影響是雙刃劍。面板厚度的增加能夠有效地控制夾層結(jié)構(gòu)的最終變形，改善夾層結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，同時也能提高能量的吸收。然而，增加面板厚度會導(dǎo)致了夾層板質(zhì)量的增加。因此，如何選擇合適的面板厚度，亦是夾層結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化時需要考慮的問題之一。

1.1.2 芯體材料

泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)中的芯體（泡沫鋁）是影響夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的重要因素，目前對于泡沫鋁的研究較為廣泛。影響泡沫鋁力學(xué)性能的主要因素包括：①孔的結(jié)構(gòu)（開孔或閉孔）;②特征參數(shù)（相對密度，孔徑），③孔的各向異性等。

1）孔結(jié)構(gòu)的影響

根據(jù)孔穴結(jié)構(gòu)的不同，泡沫材料主要可分為開孔和閉孔。開孔結(jié)構(gòu)的孔洞是相互連通的；閉孔是指孔與鄰孔之間自行封閉，不相通的。在泡沫材料的應(yīng)用中多數(shù)是壓縮承載，因此，在壓縮變形時，孔結(jié)構(gòu)的變形機(jī)制主要取決于孔穴是開孔還是閉孔。如圖2所示，泡沫材料密度較小時，在彈性階段的變形，開孔泡沫主要是孔壁彎曲、孔壁軸向變形，而閉孔泡沫的變形主要是由孔穴棱邊的彎曲或收縮，孔膜發(fā)生伸展和被封入氣體的壓力形成的。因此，開孔泡沫材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線與閉孔的有一定差異：a）受到壓縮時，開孔泡沫鋁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線很平滑，無波動；閉孔泡沫鋁的則呈鋸齒狀波動。b）在平臺區(qū)，開孔泡沫鋁會隨相對密度升高表現(xiàn)出應(yīng)變硬化也越明顯；閉孔泡沫鋁的較為平坦[4]。c）準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時，泡沫鋁存在應(yīng)變率效應(yīng)，開孔泡沫鋁會由彈性階段平滑的過渡到塑性階段，應(yīng)變率效應(yīng)明顯；而閉孔泡沫鋁的不明顯且屈服階段有應(yīng)力峰值出現(xiàn)。d）動態(tài)壓縮時，閉孔泡沫鋁的應(yīng)力平臺較開孔的明顯。

2）特征參數(shù)的影響

泡沫鋁最重要特征參數(shù)是孔徑和相對密度（孔隙率）?？讖绞侵缚紫镀骄睆?。相對密度ρ*/ρs（泡沫材料的密度ρ*/基體材料密度ρs）。孔徑和相對密度與泡沫材料的力學(xué)性能和吸能性能密切相關(guān)。陳哲[5]等利用有限元模擬并分析了孔隙率和孔徑對閉孔泡沫鋁壓縮性能的影響，結(jié)果表明：孔隙率相同時，孔徑越大，屈服平臺應(yīng)力越長，具有一定波動；孔徑相同時，隨著孔隙率增大，屈服平臺應(yīng)力降低，其吸收的能力也相應(yīng)減少?？讖綄?yīng)力—應(yīng)變曲線彈性階段的斜率影響不大；但彈性階段的斜率隨相對密度增大而增大。壓縮時，泡沫鋁的楊氏模量Es隨相對密度增大而增大，而屈服極限與相對密度的1.5次方成正比[6]。

圖2 泡沫材料的變形機(jī)制

1.2 結(jié)合方式

夾層結(jié)構(gòu)中面板和芯體的結(jié)合方式不同，失效形式也不相同。目前，泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的制備主要采用膠黏、粉末冶金、釬焊連接等方法[7]。

膠黏連接方法：利用黏結(jié)劑將芯體（泡沫鋁）和面板黏結(jié)在一起，屬于物理連接法，容易實(shí)現(xiàn)。膠黏連接的泡沫夾層結(jié)構(gòu)的面板與芯體實(shí)際結(jié)合面積較小，膠粘部分不耐高溫，易老化，且結(jié)合強(qiáng)度偏低[8]。在載荷沖擊下，泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)主要失效形式是界面結(jié)合處出現(xiàn)結(jié)合失效，即出現(xiàn)脫膠現(xiàn)象。

粉末冶金法：將粉末置于兩金屬板之間進(jìn)行發(fā)泡，制備出泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)。這類方法制備出夾層結(jié)構(gòu)的面板與芯體既可達(dá)到冶金結(jié)合的，克服黏結(jié)劑連接的缺點(diǎn)[9]，又能節(jié)約材料和縮短工藝流程。但是，由于受粉末致密度的影響，會導(dǎo)致夾層結(jié)構(gòu)存在一定缺陷（如通孔及無泡層）。受沖擊時，泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)主要失效形式有壓痕、芯體剪切破壞和塑性鉸[10]，無脫膠現(xiàn)象出現(xiàn)。

釬焊連接法：在泡沫材料和面板結(jié)合處放一定量的釬料，加熱使釬料熔化（工件未熔化），達(dá)到結(jié)合目的。釬焊連接是在泡沫材料孔棱上連接的，這就導(dǎo)致泡沫夾層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低。爐中釬焊得到的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)，克服了由于表面氧化而造成焊接受阻，以及焊接過程中泡沫孔熔融而使體積有所減小的情況，同時也克服了膠粘法中粘結(jié)劑在高溫下失活老化現(xiàn)象和粉末冶金法中致密度不高的問題。釬焊連接法能使既達(dá)到冶金結(jié)合目的，同時能縮短工藝流程[11]。受沖擊時，泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)主要失效形式與粉末冶金的類似。

1.3 應(yīng)變率對泡沫夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響

應(yīng)變率是應(yīng)變對時間的導(dǎo)數(shù)，用來表征材料變形快慢，其單位為s-1。

在不同應(yīng)變率的壓縮實(shí)驗中，泡沫鋁夾層的應(yīng)力—應(yīng)變曲線也會不同，因此，它的力學(xué)性能及吸能性就會有所變化。眾多研究表明：在受到外力作用時，泡沫材料會出現(xiàn)三個不同階段的變化，即彈性變形階段，塑性平臺階段和致密化階段。在動態(tài)壓縮時，泡沫材料會表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，因此，對泡沫材料力學(xué)性能研究時需要考慮它的慣性效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)。研究表明：對泡沫材料的應(yīng)變率敏感性影響主要有：局部化，微觀慣性和致密性等因素。

鄒廣平[12]在對泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)抗沖擊性能研究表明：相同孔隙率的閉孔泡沫鋁夾芯板在不同應(yīng)變率沖擊下，應(yīng)變率效應(yīng)區(qū)別不大，其吸能也基本相同。動態(tài)沖擊下的泡沫鋁屈服平臺比靜態(tài)的提高了很多，其吸能性也顯著增強(qiáng)，這說明在靜態(tài)和動態(tài)壓縮中，泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)均存在應(yīng)變率效應(yīng)。

1.4 泡沫夾層結(jié)構(gòu)的吸能性

泡沫夾層結(jié)構(gòu)主要通過泡沫芯體吸收能量的。在承受載荷時泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)力－應(yīng)變曲線出現(xiàn)很長的平臺區(qū)，這表明大量壓縮能量被吸收。泡沫鋁芯體所吸收能量W可表示為：

其中：σ—應(yīng)力；

ε—應(yīng)變；

εd—泡沫鋁芯體壓縮致密化開始時的應(yīng)變量。

鄒廣平[11]對不同泡沫鋁結(jié)構(gòu)吸能性的比較，發(fā)現(xiàn)單面板泡沫鋁比閉孔泡沫鋁吸能多，泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的吸能性要比單面板的好，即泡沫夾層結(jié)構(gòu)吸收的能量最多，明如海[13]對泡沫鋁及其夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及吸能性進(jìn)行實(shí)驗和數(shù)值模擬分析，研究發(fā)現(xiàn)：相同條件下，夾層結(jié)構(gòu)吸收的能量比泡沫鋁的多出30%左右。

2 泡沫夾層結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬國內(nèi)外研究狀況

目前，對泡沫材料力學(xué)性能數(shù)值模擬的研究是在離散的微觀結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上建立，通常將模型理想化，即將泡沫材料的孔簡化成均勻、規(guī)則的多邊形，如立方體模型、四面體、八面體、十二面體和十四面體模型等等。隨著科技的發(fā)展，越來越多的學(xué)者們利用計算機(jī)斷層掃描技術(shù)掃描泡沫材料，和逆向工程對掃描結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，構(gòu)建模擬模型。通過對這些模型的模擬分析來研究它的力學(xué)性能（如拉伸、壓縮），并得出其應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

隨著計算機(jī)的發(fā)展，對泡沫材料性能的數(shù)值模擬分析越來越普遍。國內(nèi)外學(xué)者對泡沫材料性能已經(jīng)取得很大進(jìn)步，尤其力學(xué)性能及吸能性的研究更為突出。泡沫夾層結(jié)構(gòu)是多孔材料中的一種新型復(fù)合材料，在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

泡沫夾層結(jié)構(gòu)中的泡沫芯體的性能是影響夾層結(jié)構(gòu)性能的主要因素。已從各個方面對芯體材料（泡沫材料）的性能做了研究分析，康穎安[14]等對泡沫鋁進(jìn)行壓縮實(shí)驗，研究發(fā)現(xiàn)開孔泡沫鋁具有明顯的應(yīng)變率敏感性；而閉孔的應(yīng)變率敏感性較差。胡孔剛[15]等研究了加入不同金屬元素（S i、M g、C u）的泡沫鋁合金的靜態(tài)壓縮性能，結(jié)果顯示：金屬元素加入能提高了泡沫鋁的屈服強(qiáng)度。因此，學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)基體材料、相對密度，孔徑和的泡沫材料和應(yīng)變率的不同對泡沫材料力學(xué)性能影響也不一致[16-17]。

從1660年起，眾多學(xué)者采用不同的的模型（如表1所示），如V o r o n oi模型，四面體，八面體，十四面體等，對泡沫材料的性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析，尤其對泡沫材料力學(xué)性能和吸能性研究更為突出。實(shí)際泡沫材料中多存在缺陷，這項模型并不能真實(shí)的反映泡沫材料真實(shí)的孔隙情況，因此，模擬結(jié)果與實(shí)驗值和理論值必定存在差異。為了克服這一缺點(diǎn)，新技術(shù)被逐漸應(yīng)用到實(shí)體建模中，如X-ra y C T斷層掃描技術(shù)的應(yīng)用到泡沫材料，它利用3D成像技術(shù)和逆向工程，能夠建立跟接近真實(shí)泡沫材料更相近的模型。V e y h l[18-20]等利用X-ra y C T斷層掃描技術(shù)對泡沫材料真實(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，利用逆向工程得到泡沫結(jié)構(gòu)的三維幾何形貌，然后用有限元軟件進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果之間的誤差能達(dá)到± 5%，掃描技術(shù)在有限元模擬建模應(yīng)用使模擬結(jié)果更接近于實(shí)驗值和理論值。

近年來，學(xué)者們分別從理論，實(shí)驗和數(shù)值模擬三方面對泡沫夾層結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了研究。C h en[22]等通過對不同的芯層厚度和面板厚度的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的四點(diǎn)彎曲破壞模式進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)夾芯板的屈服強(qiáng)度會隨芯板厚度的增加而降低；隨面板厚度變化而改變；韓守紅等[1]從三個方面（即變形模式、運(yùn)動響應(yīng)和吸能特性）研究了不同夾層結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)特性。研究表明：上面板剛度小，下面板剛度大的夾層結(jié)構(gòu)吸收能力最多，是上面板剛度大的夾層結(jié)構(gòu)的2.5-3倍。此外，芯體的相對密度及面板厚度均對夾層結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)有影響。李澤華[23]研究了泡沫夾層梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其力學(xué)性能影響，夾層梁所承受的極限載荷和抗彎剛度會隨芯板厚度的增加而增大，而抗彎強(qiáng)度會隨之減?。粖A層梁所承受的極限載荷、抗彎剛度和抗彎強(qiáng)度也會隨面板厚度的增加而增大，其變形會改變不大。V a id y a[24]等研究了沖擊荷載作用下的夾芯結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的問題，結(jié)果表明：隨著沖擊載荷的增加，結(jié)構(gòu)的剛度降低。通過大量的理論和實(shí)驗研究可以發(fā)現(xiàn)，泡沫夾層的結(jié)構(gòu)參數(shù)和應(yīng)變率對其力學(xué)性能都有一定的影響。

數(shù)值模擬是通過模擬泡沫材料的微觀結(jié)構(gòu)變形來研究其力學(xué)性能的。元昌[25]利用有限元模擬的方法，研究了泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的抗爆性能。發(fā)現(xiàn)芯體密度對夾層結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響很大，即相對密度太大時，吸收能量少；相對密度太小，吸能量最大但背板變形也大。陳盛貴[26]利用A B A Q U S軟件模擬泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的彎曲成形過程，并分析了夾層結(jié)構(gòu)沖壓成形缺陷。S r idh ar[27]等模擬了泡沫夾芯板在沖擊荷載作用下的響應(yīng)特性。Z are i和K r o g er[28]通過實(shí)驗和數(shù)值模擬方法對泡沫鋁夾芯梁進(jìn)行了彎曲荷載作用下性能研究。V e y h l[18-20]等運(yùn)用X-ra y C T斷層掃描技術(shù)及有限元模擬，模擬不同孔徑和孔隙率下的力學(xué)性能，并與實(shí)驗結(jié)果相比較。模擬時，模型的選取對模擬結(jié)果會產(chǎn)生一定影響，因此，模擬結(jié)果會與實(shí)驗結(jié)果之間存在一定誤差。

隨著數(shù)值模擬時，模型的不斷改進(jìn)及模擬參數(shù)的不斷優(yōu)化，為今后研究泡沫材料性能研究及在實(shí)際生產(chǎn)中的大量應(yīng)用提供了更多依據(jù)。

表1 不同的泡沫材料模型

3 總結(jié)

目前對泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)研究已經(jīng)取得了一系列的成果，但還處于不成熟的階段，即孔穴形狀、孔徑大小等微觀因素對力學(xué)性能的影響如何并沒有一個合理的解釋，并且應(yīng)變率效應(yīng)及結(jié)合方式對力學(xué)性能的影響缺乏較深入的分析和準(zhǔn)確的結(jié)論。并且在數(shù)值模擬方面研究也存在一些問題：

（1）泡沫鋁模型的建立不斷地優(yōu)化，但是在劃分網(wǎng)格時，由于孔的不規(guī)則，采用自由劃分網(wǎng)格，孔穴連接處會出現(xiàn)網(wǎng)格密集現(xiàn)象，對模擬的結(jié)果會出現(xiàn)一定的誤差，在以后的模擬研究中，應(yīng)該不斷選擇合理的模型和網(wǎng)格劃分，盡量減小誤差。

（2）已有的研究中，很少對動態(tài)加載時，不同的結(jié)合方式的泡沫夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，而且在數(shù)值模擬過程中，不同芯體和面板界面結(jié)合方式不能得到合理處理，大多的數(shù)值模擬泡沫鋁夾芯板結(jié)構(gòu)中，設(shè)定芯層和面板界面多數(shù)為固定連接，對于變形過程中的界面間膠黏的脫黏失效未能進(jìn)行合理的模擬。

（3）由于不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能影響不同，如何通過不同參數(shù)匹配優(yōu)化以保證在不同領(lǐng)域應(yīng)用時其性能更突出。因此，利用有限元數(shù)值模擬對泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，這將會是以后的研究重點(diǎn)，因此選擇合理泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的有限元模型是首要解決的問題，而避免結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，也是我們要關(guān)注的問題。

泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)作為一種新型的復(fù)合材料，對其力學(xué)行為及變形機(jī)理仍需更深入、全面的研究。

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Status and Prospect of Finite Element Simulation of Alum inum Foam Sandw ich Structure Mechanical Property

TIAN Ke-nan，WANG Lu-cai，WANG Yan-li，YOU Xiao-hong
（School ofmaterials science and engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan Shanxi030024，China）

This article summarizes the research progress of dynamic mechanical problems of aluminum foam sandwich structure，aswell somemain factors affecting themechanical properties of foam sandwich，such as panel and corematerial properties，combining method and strain rate，introduces the current situation of finite element simulation of compressive properties and the energy absorption of foam core sandwich structure，and puts forward some ideas for the application situation of aluminum foam sandwich construction.

foam sandwich structure，compression performance，energy absorption

TB33文獻(xiàn)識別碼：A

1674-6694（2015）06-0048-05

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.06.016

2015-10-22

田克楠（1988-），女，碩士研究生，研究方向為泡沫鋁力學(xué)性能數(shù)值模擬。

王錄才（1965-），男，教授，主要從事多孔功能材料的研究。

山西省科技攻關(guān)項目（20140322-20）