泡沫铝材料准静态本构关系的理论与试验研究.pdfVIP

第 36卷 第 6期 力 学 学 报 Vo1．36．NO．6 2004 年 11月 ACTA MECHANICA SINICA NOV．，2004 泡沫铝材料准静态本构关系的理论和实验研究 王二恒 虞吉林 王 飞 孙 亮 (中国科学技术大学材料力学行为和设计中国科学院重点实验室，合肥 230026) 摘要 应用 Chen和Lu提出的适用于可压缩弹塑性固体 的唯象本构模型框架，建立了泡沫铝的准静态本构模 型，推导了三维等比例加载和环向受约束轴向加载下的宏观应力一应变曲线．对两种泡沫铝材料 (开孔和闭孔) 进行了4类准静态试验，即单轴压缩、三维静水压缩、三维等 比例压缩和侧向受约束轴向压缩实验．利用单轴 压缩和三维静水压缩的实验结果得到了泡沫铝材料的本构参数曲线，并由此预测它在三维等比例压缩和侧向受 约束轴向压缩情况下的响应．理论预测与相应实验结果相比较，三维等比例压缩的结果比较吻合，但与侧向受 约束轴向压缩的结果却相差很大．分析表明，理论预测与侧向受约束轴向压缩实验结果的偏差是由于泡沫铝试 件与约束筒之间的摩擦造成的．研究结果说明， Chen—Lu模型能够很好地描述泡沫铝材料在压缩 占主导的应 力状态下的响应 ． 关键词 本构模型，可压缩弹塑性，泡沫铝，压缩试验 引 言 面的形状．又由于内部不规则分布的缺陷对泡沫金 属材料的不均匀变形有明显的影响，导致起始非线 低密度孔洞金属材料 (如铝蜂窝、泡沫铝等)有 性弹性的加载段和塑性强化过程中出现局部卸载 9【】． 着良好的力学、声学和热学性能．近年来，由于低成 Hanssen等 对Deshpande和Fleck，Miller的模 本制造技术的发展，泡沫金属材料被广泛运用到结 型以及其它本构模型进行了实验和数值评估，发现 构工程物中，如夹芯结构芯件等．这些工程构件的 所有模型都无法完全准确描述各种载荷条件下的响 设计和数值模拟迫切需要对泡沫金属的本构力学模 应．因此，克服唯象本构模型中经典的弹塑性区分 型进行深入的研究． 离的做法对研究泡沫金属材料弹塑性本构响应具有 明显的意义． 鉴于泡沫金属材料内部几何缺陷、微观形貌的复 Chen和Lu[uJ基于弹性余能表达式引入标量式 杂性以及由此导致的变形和失效力学行为特征及机 的特征应力和特征应变，结合相应的应力势和屈服 制的迥异性 h ，从宏观唯象层次上建立本构模型 流动法则，提出了一套可适用于塑性可压缩和塑性 成为泡沫金属材料本构力学行为研究的重要途径． 不可压缩材料的统一的弹塑性本构模型框架．本文 Gibson等 L5J基于对理想泡沫胞元的分析得到了一 根据 Chen和Lu的可压缩弹塑性本构模型框架和静 个屈服面，其有效应力依赖于静水压的平方．Desh— 态特征实验结果，推导出泡沫铝的宏观唯象可压缩 pande和 Fleck[bJ根据实验得到的椭圆形屈服面建 弹塑性本构形式．对开孔和闭孔的两种泡沫铝材料 立了泡沫金属的自相似本构模型和微分强化本构模 通过三维静水压缩和单向压缩实验结果给出了本构 型．但是，单轴压缩试验显示，泡沫金属材料在压