【正文】 究。前處理器處理模具和坯料的材料信息及幾何信息的輸入、成形條件的輸入，建立邊界條件，它還包括有限元網(wǎng)格自動生成器；模擬器是集彈性、彈塑性、剛(粘)塑性、熱傳導于一體的有限元求解器；后處理器是將模擬結(jié)果可視化，支持OPGL 圖形模式，并輸出用戶所需的模擬數(shù)據(jù)。對于多孔泡沫鋁材料而言，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復雜性以及計算機容量的限制，通常不可能把整體結(jié)構(gòu)作為對象進行分析，而只能取其具有代表性的體積單元(RVE)——體胞為具體對象。目前這些研究主要集中在[16]：（1）解決應(yīng)用所需的大型件制品的制備，實現(xiàn)孔結(jié)構(gòu)、尺寸及其分布可控，降低制備成本并開發(fā)出孔結(jié)構(gòu)可控、均勻少缺陷的泡沫鋁制備技術(shù)。另外泡沫金屬還可以作多孔電極。因此，當空隙率越大時，導電性就越差。后者的孔隙率在60%75%，各孔相互連通。目 錄摘要 IAbstract II第一章 緒論 1 1 1 泡沫鋁的性能特點 1 3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 3 本文的研究內(nèi)容及意義 5 小結(jié) 6 第二章 有限元模擬的理論依據(jù) 7 DEFORM3D簡介 7 DEFORM3D概況 7 DEFORM3D系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 7 DEFORM3D的功能 8 DEFORM3D的操作步驟 8 模擬設(shè)計思路 9 泡沫金屬和有限元的連接點 9 9 模擬的假設(shè) 11 幾何模型的建立 12 13 小結(jié) 15 第三章 實驗過程 16 16 16 17 17 18 18 18 19 19 19 第四章 實驗結(jié)果與分析 20 單元結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬 20 21 模擬結(jié)果的驗證與分析 32 33 33 37 誤差分析 38 39 第5章 結(jié)論 40 參考文獻 41 致 謝 43 附錄（英文翻譯） 44 泡沫金屬孔結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬摘要以多樣化孔隙(通孔，閉孔)為特征的超輕型金屬結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)材料的輕質(zhì)多功能化，從而成為前沿熱點材料之一。泡沫鋁以其獨特的結(jié)構(gòu)而具有許多優(yōu)異的性能，它不僅具有多孔材料所具有的輕質(zhì)特性，還具有金屬所具有的優(yōu)良的力學性能和熱、電等物理性能，如滲透、阻尼、能量吸收、高比表面積、電磁屏蔽等性能。當泡沫鋁的密度增加，其導電性也會增加。胞狀泡沫對高頻電磁波有很高的屏蔽系數(shù)，已被用于制作電子儀器外殼和構(gòu)建電磁屏蔽室等。（2）研究胞狀鋁結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，盡可能滿足某一性能或多功能兼容性能的要求，為設(shè)計者提供設(shè)計指南，并選準有前景的應(yīng)用對象進行應(yīng)用研究，逐步推廣泡沫鋁制品的應(yīng)用。國內(nèi)的研究者為更確切建立體元所作的大量研究，為用有限元法對三維編織復合材料力學性能進行數(shù)值仿真奠定了基礎(chǔ)。DEFORM3D允許用戶對其數(shù)據(jù)庫進行操作，對系統(tǒng)設(shè)置進行修改，以及定義自己的材料模型等。從宏觀上來看，如果孔穴尺寸相對于測試樣品或元件的尺寸來說相當小，就可把泡沫金屬看作是均勻的連續(xù)統(tǒng)一體，其主要用于空洞及固體填充孔的影響。其泡沫金屬性能反映和有限元模擬的連接點在于泡沫金屬壓縮實驗下的壓縮曲線。此模擬的假設(shè)條件: 。依據(jù)泡沫金屬模擬研究模型設(shè)計的初衷，泡沫鋁的一切材料特性定義參數(shù)都輸入純鋁的材料參數(shù)。Daxner等人[7]把這種模型擴散為二維模型，在該二維模型中，材料可用與非線性彈簧及剛性橫橋連接的質(zhì)量點的排列來描述。劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個重要環(huán)節(jié)，它要求考慮的問題較多，需要的工作量較大，所劃分的網(wǎng)格形式對計算精度和計算規(guī)模將產(chǎn)生直接影響。點擊按鈕即可對模型與上下模板的空間位置進行調(diào)整。然后關(guān)閉該窗口，即完成前處理。在壓縮壓力下，泡沫金屬最初經(jīng)歷初始彈性變形后，進入應(yīng)力平臺階段，及泡沫開始破裂。（2）孔隙率不同，平臺應(yīng)力的大小、平臺區(qū)域的長度也不同，平臺應(yīng)力值越高、區(qū)域長度越長，則泡沫鋁的性能效果越好。(4) 在準靜態(tài)載荷作用下，對于彈塑性泡沫材料，胞壁（閉孔型）或棱邊（開孔型）的壓縮是彈性段變形的主要因素。 (a—30mm, b—60 mm).Fig. 3. Stress–strain curves for foams having different pore size.The stress, after a first maximum, drops significantly. It has been mentioned in the literature that this drop, being the difference between the upper (UYS) and lower yield strength (LYS) (Fig. 1), is an effect of the collapse of one pore layer and therefore the corresponding strain is proportional to the pore size [5]. This observation is consistent with the present study (Fig. 3). A variation in the pore diameter, for the foams having similar density, is seen in Fig. 2. The deformation mode, resulting from the abrupt and repeatable failure of successive pore layers,gives rise to very uneven character of the stress–strain curve. Moreover, for the specimens having the same orvery close density, a scattering of the rc is observed. The difference in rc is related to the foam structure, especially its imperfections such as regions of lower density, large pores, broken walls and anisotropic pore structures. However, the most important factor affecting the pressive strength is the homogeneity. Fig. 4. Density distribution on the crosssection (60 mm sample).Fig. 5. Failure mode during pressive deformation. Compression 2, 5and 15 s,sample height 60 mm.Particularly the number and size of the regions having density lower than the average value measured for the whole specimen. An uneven density distribution, within the specimen crosssection, is evidenced in Fig. 4. An example of the specimen failure mode is shown in Fig. 5. For this particular specimen, the failure initiates close to the upper surface (the lowest density) and subsequently develops along the clusters of defects, although they are located within the high density areas. Finally, the deformation covers the entire specimen.An interesting remark from this study is the parison of the deformation behaviour for the smaller and larger specimens. It was found that the mechanical properties depend also on the specimen size. The mean pressive strength is higher for the shorter specimens than for the longer ones (Fig. 6). We relate this behaviour to the higher probability of the occurrence of weak link in longer specimens (Fig. 5). The 60mm specimens exhibit also a somewhat longer plateau than the 30 mm ones, exceeding 70% of strain (Fig. 1). This results from higher susceptibility of longer samples to buckling and correspondingly to lower densification grade of the foam at high strains than it is in a case of shorter specimens. In Fig. 7, the pressive strength is plotted versus relative density. The strength increases with increasingdensity, which is characteristic behaviour of metallic 。王老師嚴謹求是的治學態(tài)度、淵深廣博的學識和平易近人的為人給學生留下了深刻的印象，將會使學生受益終。 誤差分析 在所得結(jié)果中，根據(jù)強度公式：σ=F/S，結(jié)合圖410(e)和圖411(e)可得出：孔隙率為68%和75%閉孔泡沫鋁的模擬屈服強度值分別為298MPa和156MPa。經(jīng)過大量的塑性變形后，泡沫已經(jīng)全部破碎，材料進入密集化階段，應(yīng)力迅速曾加。本章對Deform3D軟件模擬分析的方法做了詳細說明，其中包括模擬前處理對基體網(wǎng)格劃分、材料屬性設(shè)置及模擬參數(shù)的設(shè)置等。本實驗對泡沫鋁的壓縮過程屬于準靜態(tài)壓縮，模型和下模板在壓縮過程中靜止不動。一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計算精度會有所提高，但同時計算規(guī)模也會增加，所以在確定網(wǎng)格數(shù)量時應(yīng)權(quán)衡兩個因數(shù)綜合考慮。魏鵬[28]等考慮泡沫鋁結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性和可能存在的大量缺陷，根據(jù)泡沫鋁的實際微觀幾何缺陷情況，改進建模使模型中加入了一些缺陷(如孔大小隨機分布造成的不均勻性、大孔)（，），使模型對比常用的周期性六邊形蜂窩更能符合實際泡沫鋁材料的結(jié)構(gòu)孔單元，更能正確代表材料的空間排列情況[29]，然后通過有限元軟件ANSAY模擬不同泡沫鋁模型的彈性模量，通過數(shù)學方法擬合出泡沫鋁表觀彈性模量與相對密度的關(guān)系式。(2) 由于軟件的不斷開發(fā)與升級，DEFORM3D中的接觸定義即等同于某些邊界條件的定義，意思是對于某些模擬研究的接觸定義就是邊界狀況的描述，接觸定義中的重要一條是先定義變形體，再定義剛體。以閉孔泡沫金屬為研究對象，孔洞形狀的規(guī)則性與否取決于制備工藝。因為到目前為止，對于泡沫金屬的研究而言，只是從實驗的角度給出了一些定量的分析研究，并未從理論的角度給出確切的定性分析，因而對于泡沫金屬的有限元模擬并無現(xiàn)成的理論模型可遵循。為確定高孔隙率多孔固體在外力作用下的響應(yīng)，可用網(wǎng)狀的柱體（開孔泡沫）或殼體（閉孔泡沫）對多孔結(jié)構(gòu)進行模型描述，并采用有限元或邊界元數(shù)值方法進行分析。(2)熱處理：①模擬正火、退火、淬火、回火、滲碳等工藝過程；②預(yù)測硬度、晶粒組織成分、扭曲和含碳量；③可以輸入頂端淬火數(shù)據(jù)來預(yù)測最終產(chǎn)品的硬度分布；④可以分析各種材料晶相，每種晶相都有自己的彈性、塑性、熱和硬度屬性。在許多情況下，用計算機模擬比進行真實的實驗要快要省，因此可以根據(jù)計算機模擬的結(jié)果來判斷其結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，以提高工作效率。東南大學、大連理工大學、東北大學、山東工程學院、哈爾濱工業(yè)大學、中國科學院固體物理研究所、中國船舶工業(yè)總公司第725研究所、太原科技大學、昆明理工大學等研究機構(gòu)都先后作過許多研究，取得了一系列的研究成果。泡沫鋁已有50余年的發(fā)展史[1,12,13,14]，Sosnik于1948年最早提出利用汞在鋁中氣化而制取泡沫鋁合金的想法。用電磁波對泡沫鋁進行試驗，發(fā)現(xiàn)泡沫鋁也有吸收電磁波的作用，因此泡沫鋁還有對電磁波的屏蔽作用。也可用于冶金、化工、航空航天、船舶、電子、汽車制造和建筑業(yè)等領(lǐng)域，應(yīng)用范圍不斷擴大。利用DEFORM3D軟件對單元結(jié)構(gòu)泡沫鋁準靜態(tài)壓縮過程進行了數(shù)值模擬。 泡沫鋁是一種在鋁基體中均勻分布著大量連通或不連通孔洞的新型輕質(zhì)多功能材料,它兼有連續(xù)金屬相和分散空氣相的特點。此外，氣孔壁上有一層氧化表面，它和氣體都不能導電。利用泡沫金屬的耐火性；可以用于建筑等工業(yè)上的耐火材料；