【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 DEFORM3D軟件自帶了100余種材料塑性性能數(shù)據(jù)以及多種材料模型。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求，對(duì)每一個(gè)模型都分別選取了DEFORM3D里面的AL1100和ALSID2兩種材料來進(jìn)行研究。具體步驟為：?jiǎn)螕鬗aterial Properties 按鈕，打開Material Properties 窗口，點(diǎn)擊Library選項(xiàng)，選取材料Al1100或AlSiD2，并單擊按鈕完成材料數(shù)據(jù)輸入?？臻g位置的調(diào)整有兩層含義，一是可以移動(dòng)、選擇物體，改變它們的最初位置，因?yàn)樵贒EFORM3D的前處理中不能造型，所以這一項(xiàng)功能特別重要，可以將輸入到DEFORM3D中的毛坯、模具幾何模型進(jìn)行調(diào)整。二是為了更快的將模具和坯料接觸，將它們干涉，有一個(gè)最初的接觸量，這樣計(jì)算上可以節(jié)省時(shí)間。另外，還可以定義摩擦接觸的關(guān)系、摩擦系數(shù)、摩擦方式等。點(diǎn)擊按鈕即可對(duì)模型與上下模板的空間位置進(jìn)行調(diào)整。設(shè)置模具的運(yùn)動(dòng)由于在研究材料動(dòng)力學(xué)行為時(shí)，通常將材料僅受單向應(yīng)力和應(yīng)變?cè)O(shè)為前提條件，側(cè)向應(yīng)力應(yīng)變的影響加以忽略。本實(shí)驗(yàn)對(duì)泡沫鋁的壓縮過程屬于準(zhǔn)靜態(tài)壓縮，模型和下模板在壓縮過程中靜止不動(dòng)。輸入上下模板后，設(shè)定上模（Top Die）為主動(dòng)模板。單擊Objects按鈕，選擇對(duì)象Object表中的Top Die并單擊運(yùn)動(dòng)Movement按鈕。上模將按一定速度運(yùn)動(dòng)動(dòng)。模型和下模具不動(dòng)，即定義速度為0。模擬參數(shù)的定義主要是為了進(jìn)行有效的數(shù)值模擬，因?yàn)槌尚畏治鍪且粋€(gè)連續(xù)的過程，分許多時(shí)間來計(jì)算，所以需要定義一些基本的參數(shù)：1．總步數(shù)：決定了模擬的總時(shí)間和行程；2．步長(zhǎng)：有兩種選擇，可以用時(shí)間或每步的行程；3．主動(dòng)模具：選擇物體的編號(hào)；4．存儲(chǔ)步長(zhǎng)：決定每多少步存一次，不要太密否則文件太大。由于正四面體和正八面體單元結(jié)構(gòu)尺寸較小，設(shè)定的總步數(shù)都為10步，十四面體單元結(jié)構(gòu)設(shè)定總步數(shù)為20歩，存儲(chǔ)步長(zhǎng)都為1；101020mm和252550mm模型總步數(shù)分別為50和100歩，存儲(chǔ)步長(zhǎng)為5。主動(dòng)模具是上模Top Die。在Control窗口中點(diǎn)擊按鈕，打開InterObject窗口定義MasterSlave關(guān)系(即工件和模具)。選擇Object 表中的Top Die并點(diǎn)擊按鈕。非分離條件使得上下模具和工件的節(jié)點(diǎn)至始至終保持接觸，節(jié)點(diǎn)可在平面上任意運(yùn)動(dòng)，這有效地約束平面上的節(jié)點(diǎn)法線方向速度量為0。再點(diǎn)擊按鈕。，點(diǎn)擊按鈕完成。模擬的前處理完成以后，單擊按鈕保存已有數(shù)據(jù)到一個(gè)keyword文件中，點(diǎn)擊按鈕檢查所設(shè)步驟是否正確，如有錯(cuò)誤則需找出并該正后再繼續(xù)操作，沒有問題就點(diǎn)擊按鈕生成以生成DB文件。然后關(guān)閉該窗口，即完成前處理。點(diǎn)擊按鈕退出Control窗口，選擇DB文件單擊run按鈕即開始對(duì)模型進(jìn)行壓縮模擬運(yùn)算。本章對(duì)Deform3D軟件模擬分析的方法做了詳細(xì)說明，其中包括模擬前處理對(duì)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。第四章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 單元結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬開孔泡沫鋁的基體材料被拉成桿而形成孔穴的棱邊，并交匯于頂點(diǎn)，孔棱可以簡(jiǎn)化成一端受力的梁。三維孔穴的形狀和空間堆壘形式比較多，有四面體、三棱柱、四棱柱、六棱柱、八面體、菱形十二面體、五邊形十二面體、十四面體等。泡沫鋁三維實(shí)際結(jié)構(gòu)中的孔穴具有多種形態(tài)且存在缺陷，本節(jié)把泡沫鋁孔穴假設(shè)成理想的正四面體、正八面體、十四面體結(jié)構(gòu)，用有限元軟件對(duì)其壓縮性能進(jìn)行數(shù)值模擬。(a) (b)、(a) (b)、(a) (b)分別為正四面體、正八面體、十四面體結(jié)構(gòu)代表單元模型和空間組合方式。a b（a）：四面體代表單元 （b）：四面體空間組合方式a b（a）：八面體代表單元 （b）：八面體空間組合方式 a b（a）：十四面體單元結(jié)構(gòu) （b）： 十四面體空間組合方式泡沫金屬的機(jī)械性能不僅由其孔隙率決定，在很大程度上也受其材料的影響。因此在孔隙率一定的條件下，可通過研究材料與強(qiáng)度的關(guān)系來分析泡沫金屬的性能。 單元模型材料性能參數(shù)模型材料楊氏模量 E（GPa）抗壓強(qiáng)度 σ（Mpa）泊松比μ密度ρ(kg/m3)摩擦系數(shù)壓縮速度mm/s正四面體鋁20鋁硅206150正八面體鋁20鋁硅206150十四面體鋁20鋁硅206150 以下為本課題研究的兩種不同材料正四面體、正八面體、十四面體單元模型的模擬壓縮曲線。(a)為al1100四面體結(jié)構(gòu)的壓縮載荷時(shí)間曲線；（b）為AL1100四面體結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力時(shí)間曲線；（c）為AL1100四面體結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)變時(shí)間曲線；（d）為AL1100四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。（a）AL1100四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮載荷時(shí)間曲線（b）AL1100四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力時(shí)間曲線（c）AL1100四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)變時(shí)間曲線 （d）AL1100四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線（a）為ALSI－D2四面體結(jié)構(gòu)的壓縮載荷時(shí)間曲線；（b）為ALSID2四面體結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力時(shí)間曲線；（c）為ALSI－D2四面體結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)變時(shí)間曲線；（d）為ALSI－D2四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。（a）ALSI－D2四面單元體結(jié)構(gòu)的壓縮載荷時(shí)間曲線（b）ALSI－D2四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力時(shí)間曲線（c）ALSI－D2四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)變時(shí)間曲線（d）ALSI－D2四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線（a）為AL1100八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮載荷時(shí)間曲線；（b）為AL1100八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力時(shí)間曲線；（c）為AL1100八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)變時(shí)間曲線；（d）為AL1100八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。（a）AL1100八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮載荷時(shí)間曲線（b）AL1100八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力時(shí)間曲線（c）AL1100八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)變時(shí)間曲線（d）AL1100八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線（a）為ALSID2八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮載荷時(shí)間曲線；（b）為ALSID2八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力時(shí)間曲線；（c）為ALSID2八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)變時(shí)間曲線；（d）為ALSID2八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線（a）ALSID2八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮載荷時(shí)間曲線（b）ALSID2八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力時(shí)間曲線（c）ALSID2八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)變時(shí)間曲線（d）ALSID2八面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線（a）為 AL1100十四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮載荷時(shí)間曲線；（b）為AL1100十四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力時(shí)間曲線；（c）為AL1100十四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)變時(shí)間曲線；（d）為AL1100十四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。（a） AL1100十四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮載荷時(shí)間曲線（b）AL1100十四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力時(shí)間曲線（c）AL1100十四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)變時(shí)間曲線（d）AL1100十四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線（a）為ALSID2十四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮載荷時(shí)間曲線；（b）為AL1100十四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力時(shí)間曲線；（c）為AL1100十四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)變時(shí)間曲線；（d）為AL1100十四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。（a）ALSID2十四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮載荷時(shí)間曲線（b）ALSID2十四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力時(shí)間曲線（c）ALSID2十四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)變時(shí)間曲線（d）ALSID2十四面體單元結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線 模擬結(jié)果的驗(yàn)證與分析在泡沫金屬性能研究的大量試驗(yàn)中，已獲得了許多典型的泡沫金屬壓縮曲線。在壓縮壓力下，泡沫金屬最初經(jīng)歷初始彈性變形后，進(jìn)入應(yīng)力平臺(tái)階段，及泡沫開始破裂。在泡沫破碎階段應(yīng)力基本保持不變。經(jīng)過大量的塑性變形后，泡沫已經(jīng)全部破碎，材料進(jìn)入密集化階段，應(yīng)力迅速曾加。由圖44至圖49模擬所得到的壓縮應(yīng)力應(yīng)變與圖410比較，其大體趨勢(shì)相同，都有彈性區(qū)和塑性平臺(tái)區(qū)，平臺(tái)區(qū)域越長(zhǎng)，能量吸收效果越好。 泡沫金屬的典型壓縮曲線，不同材質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，形狀差別較大，材料為純鋁時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線的平臺(tái)應(yīng)力值較小，且平臺(tái)區(qū)域短，材料為鋁硅時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線的平臺(tái)應(yīng)力值較大，且平臺(tái)區(qū)域較長(zhǎng)。由此可見鋁硅材料要比純鋁材料的強(qiáng)度高、能量吸收效果好。對(duì)不同形狀單元模型，當(dāng)材料相同時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變基本相同，模型的強(qiáng)度、能量吸收效果差別不大。，；、933MPa、937MPa；由Origin軟件里的微積分公式算得各單元結(jié)構(gòu)相應(yīng)材料下的平臺(tái)應(yīng)力值分別為：45MPa、950MPa、60MPa、970MPa、50MPa和950MPa。模型正四面體正八面體十四面體材料AL1100ALSID2AL1100ALSID2AL1100ALSID2屈服強(qiáng)度σp1（MPa）（模擬）933937平臺(tái)應(yīng)力（MPa）459506097050950對(duì)于單元結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)上的研究，純鋁屈服強(qiáng)度值在10～30MPa范圍之內(nèi)，模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較，十四面體的屈服強(qiáng)度值更接近實(shí)驗(yàn)值，也就是說十四面體的假設(shè)更合理、結(jié)果更符合實(shí)際些。假設(shè)較為合理的十四面體的優(yōu)點(diǎn)是它與實(shí)際多面體泡沫具有等同的平均面數(shù)及孔棱數(shù)。 不同孔隙率的泡沫鋁模型模型參數(shù)序號(hào)模型材料（鋁）摩擦系數(shù)壓縮速度外 輪 廓尺 寸（mm）孔隙率(%)楊氏模量E（Gpa）抗壓強(qiáng)度σ（Mpa）泊 松比 μ密 度ρ(kg/m3)V（mm/s）1101020682022525507520泡沫金屬的機(jī)械性能很大程度上尤其密度決定，那么也就是說泡沫鋁金屬的機(jī)械性能與空隙率密切相關(guān)。因此可以通過研究空隙率與強(qiáng)度的關(guān)系來分析泡沫金屬。泡沫金屬的空隙率依生產(chǎn)制備方式的不同而不同，空隙率在40%90%的范圍內(nèi)變化，發(fā)泡法制備的泡沫金屬，空隙率在40%60%左右，通孔的海綿泡沫金屬的空隙率可高達(dá)98%，一半粉末冶金多孔泡沫金屬空隙率都低于40%。本實(shí)驗(yàn)中用有限元方法模擬孔隙率分別為68%和75%、。(a) 為孔隙率為68%泡沫鋁壓縮前模型圖；(b)孔隙率為68%泡沫鋁壓縮載荷時(shí)間曲線；(c)孔隙率為68%泡沫鋁壓縮應(yīng)力時(shí)間曲線；(d)孔隙率為68%泡沫鋁壓縮應(yīng)變時(shí)間曲線；(e)孔隙率為68%泡沫鋁壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線；(a)孔隙率為75%泡沫鋁壓縮前模型圖；(b)孔隙率為75%泡沫鋁壓縮載荷時(shí)間曲線；(b)孔隙率為75%泡沫鋁壓縮應(yīng)力時(shí)間曲線；(c)孔隙率為75%泡沫鋁壓縮應(yīng)變時(shí)間曲線；(e)孔隙率為75%泡沫鋁壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。(a) 孔隙率為68%閉孔泡沫鋁壓縮前模型圖(b)孔隙率為68%閉孔泡沫鋁壓縮載荷時(shí)間曲線(c)孔隙率為68%閉孔泡沫鋁壓縮應(yīng)力時(shí)間曲線(d) 孔隙率為68%閉孔泡沫鋁壓縮應(yīng)變時(shí)間曲線(e)孔隙率為68%閉孔泡沫鋁壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線（p1孔壁；p2孔棱）(a)孔隙率為75%閉孔泡沫鋁壓縮前模型圖(b)孔隙率為75%閉孔泡沫鋁壓縮載荷曲線(c)孔隙率為75%閉孔泡沫鋁壓縮應(yīng)力時(shí)間曲線 (d)孔隙率為75%閉孔泡沫鋁壓縮應(yīng)變時(shí)間曲線(e)孔隙率為75%閉孔泡沫鋁壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線（p1孔壁；p2孔棱）：（1）對(duì)同一材料的閉孔泡沫鋁，其壓縮變形特性基本相同，都具有線形彈性階段、塑性塌陷也即平臺(tái)階段）和致密化階段，各階段間沒有明顯的分界線，各階段對(duì)應(yīng)著不同的變形機(jī)制。（2）孔隙率不同，平臺(tái)應(yīng)力的大小、平臺(tái)區(qū)域的長(zhǎng)度也不同，平臺(tái)應(yīng)力值越高、區(qū)域長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則泡沫鋁的性能效果越好。（3）屈服強(qiáng)度與孔隙率的關(guān)系是，在一定范圍內(nèi)，隨著泡沫鋁孔隙率的升高，泡沫金屬的強(qiáng)度和塑性降低，這主要是由于隨孔隙率升高，泡沫金屬的有效承載面積減小，材料中的缺陷也相應(yīng)增加，由于孔隙而導(dǎo)致的應(yīng)力集中作用增強(qiáng)，因而泡沫金屬的強(qiáng)度和塑性降低。 誤差分析 在所得結(jié)果中，根據(jù)強(qiáng)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(qiáng)度值分別為298MPa和156MPa。由孔隙率為68%和75%閉孔泡沫鋁的實(shí)驗(yàn)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線（(a)(b)）可算出：其實(shí)驗(yàn)屈服強(qiáng)度分別為265MPa和181MPa。誤差計(jì)算一般有絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差兩種，此處采用相對(duì)誤差進(jìn)行誤差分析。相對(duì)誤差公試：孔隙率為68%時(shí)，δ=；孔隙率為75%時(shí)，δ=。以上誤差均在10%左右。根據(jù)泡沫金屬的強(qiáng)度理論的有關(guān)資料記載，由于實(shí)驗(yàn)條件等的差異，一般經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)所得到的屈服強(qiáng)度誤差也在10%左右。但模擬誤差存在的可能在于其假設(shè)的條件，倘若假設(shè)更合理，其誤差將會(huì)更小。a b (a)孔隙率為68%的閉孔泡沫鋁實(shí)驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線(b) 孔隙率為75%的閉孔泡沫鋁實(shí)驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線 本章單元結(jié)構(gòu)和泡沫鋁的壓縮變形特性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：(1) 泡沫金屬材料軸向壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線基本上分為3個(gè)階段：第1階段:彈