专利名称：二维多孔材料的动态压缩力学性能参数的计算方法
技术领域：
本发明属于二维多孔材料力学性能分析技术领域，涉及一种二维多孔材料的动态压缩力学性能参数的计算方法。
背景技术：
尽管二维多孔材料的种类和构型有多种，但是沿共异面方向施加动态压缩载荷时都会表现出类似的力学性能。描述二维多孔材料动态压缩力学性能的参数有初始应变、初始峰应力、密实化应变、动态峰应力。准确的确定这些力学参数，对于分析和评价二维多孔材料动态压缩力学性能，进而评价其能量吸收和缓冲性能具有极其重要的实际应用价值。目前，用来分析和评价二维多孔材料动态压缩力学性能的方法是试验法。在动态压缩试验设备上，上压板以一定的速度压缩二维多孔材料样品，使其被压实经历完整的线弹性、屈服、平台和密实化的变形过程。通过试验可以得到最终的应力应变曲线，对应力应变曲线进行进一步处理，可以得到各动态压缩力学性能参数。弹性变形阶段的末端点对应初始峰应力和初始应变，可以很容易的确定。密实化应变是在平台区变形末到密实化变形开始前的区域内，任意拾取一个关键点来近似确定。这样不能精确确定密实化应变，有人利用如下公式来计算密实化应变eD= 1-1.4P7Ps，其中，P*为二维多孔材料的密度， P S为其壁材的密度。密实化应变不仅与结构参数有关，而且还与动态压缩载荷的速度有关，该公式并没有考虑加载速度。后来有人提出了如下公式来计算多孔材料的密实化应变
Jt ^i^ds =0，式中，t是云力态压缩载荷的加载时间。随着压缩速度的±曾加，不仅平台
L-I S=Sd
区的应力值越来越大，而且应力波动幅度不断增加。结果导致其在实际确定二维多孔材料密实化应变时，变得非常困难，甚至不能使用。得到初始应变和密实化应变后，利用如下公
式便可以得到动态峰应力％ =P^jtfxfeo可以看出，现有的计算方法在高速压缩载荷的条件下很难准确计算出密实化应变。由于试验设备所限，动态压缩载荷的加载速度通常很低。并且生产工艺所限，用作试验样品的二维多孔材料的尺寸范围常常有限，很难得到足够多的任意尺寸的样品来进行试验。
发明内容
本发明目的是提供一种新的二维多孔材料的动态压缩力学性能参数的计算方法， 能满足高速和低速压缩载荷条件下二维多孔材料的动态压缩力学性能参数的计算，计算结果可靠，并且运算简便快捷。本发明所采用的技术方案是，二维多孔材料的动态压缩力学性能参数的计算方法，其特征在于，按照以下步骤进行步骤1、采用ANSYS/LS-DYNA软件，建立二维多孔材料有限元计算模型，将一定尺寸的二维多孔材料放在水平设置的上压板和固定支撑板之间，上压板和固定支撑板均为刚性材质，使上压板勻速向下运动向该二维多孔材料施加载荷；利用Belytschko类型的壳单元a!elll63将二维多孔材料有限元计算模型划分网格；启动ANSYS/LS-DYNA软件进行计算，计算完毕后通过LSPREP0STD软件对计算结果进行后处理，得到二维多孔材料的压缩力时间曲线F-T、位移时间曲线u-T、动能时间曲线 K-T、内能时间曲线U-T和总能量吸收时间曲线E-T ；步骤2、对上述压缩力时间曲线F-T、位移时间曲线u-T、动能时间曲线K-T、内能时间曲线U-T和总能量吸收时间曲线E-T经LSPREP0STD软件的XYPLOT运算后，得到压缩力位移曲线F-u、动能位移曲线K-u、内能位移曲线U-u和总能量吸收位移曲线E-u ；对压缩力位移曲线F-u进行积分运算，得到功位移曲线W-u曲线；步骤3、由压缩力位移曲线F-U读出二维多孔材料的初始压缩载荷Ftl、对应初始位移Utl以及密实化位移UD，由功位移曲线W-U曲线读出对应初始位移Utl和密实化位移Ud分别对应的初始功Wtl和密实化功Wd ；步骤4、计算二维多孔材料压缩力学性能参数初始应变ε Q =叫/h ；密实化应变ε D = uD/h ；初始峰应力σ Q = F。/(w*b)；动态峰应力σ p = (Wd-W0) / ((uD-u0) *w*b)；其中，h为二维多孔材料沿压缩方向上的高度，w为二维多孔材料垂直于压缩方向矩形横截面的长度，b为二维多孔材料垂直于压缩方向矩形横截面的宽度。步骤1中，定义二维多孔材料有限元计算模型分别与所述上压板和固定支撑板之间的摩擦系数为0. 02。本发明方法的有益效果是，1、经计算结果验证，本发明方法可适用的动态压缩载荷可达300m/s以上，因此与现有实验法相比适用压缩载荷速度大。2、适用于生成任意尺寸的二维多孔材料的计算模型，不受二维多孔材料尺寸的限制。3、能得到二维多孔材料压缩力位移曲线、功位移曲线、内能位移曲线、总能量吸收位移曲线以及功位移曲线，通过这些曲线上对应点数值的读取和相关公式运算，能快速准确的确定低速和高速动态压缩载荷作用下的密实化应变等压缩力学性能参数，结果可靠，且运算简便快捷。
图1是二维多孔材料动态压缩载荷作用下的应力应变曲线示意图；图2是本发明中的二维多孔材料有限元计算模型示意图；图3是本发明在低速压缩载荷条件下二维多孔材料典型的响应曲线图，其中，图 3a是压缩力位移曲线F-u，图北是动能位移曲线K-u、内能位移曲线U-u、总能量吸收位移曲线E-u和功位移曲线W-u ；图4是本发明在高速压缩载荷条件下二维多孔材料典型的响应曲线图，其中，图 4a是压缩力位移曲线F-u，图4b是相应动能位移曲线K-u、内能位移曲线U_u、总能量吸收位移曲线E-u和功位移曲线W-u ；图5是本发明在不同速度的压缩载荷条件下二维多孔材料典型的功位移曲线图6是三角形二维多孔材料共面动态压缩载荷作用下的有限元计算模型示意图；图7是三角形二维多孔材料在3m/s的压缩载荷条件下的响应曲线图，其中，图7a 是压缩力位移曲线F-u，图7b是动能位移曲线K-u、内能位移曲线U-u、总能量吸收位移曲线 E-u和功位移曲线W-u曲线；图8是三角形二维多孔材料在100m/S的压缩载荷条件下的响应曲线图，其中，图 8a是压缩力位移曲线F-u，图8b是动能位移曲线K-u、内能位移曲线U_u、总能量吸收位移曲线E-u和功位移曲线W-u曲线；图9是三角形二维多孔材料的动态峰应力与动态压缩速度的关系曲线图；图10是圆形二维多孔材料共面动态压缩载荷作用下的有限元计算模型示意图；图11是圆形二维多孔材料在3m/s的压缩载荷条件下的响应曲线图，其中，图Ila 是压缩力位移曲线F-u，图lib是动能位移曲线K-u、内能位移曲线U-u、总能量吸收位移曲线E-u和功位移曲线W-u曲线；图12是圆形二维多孔材料在100m/S的压缩载荷条件下的响应曲线图，其中，图 12a是压缩力位移曲线F-u，图12b是动能位移曲线K_u、内能位移曲线U_u、总能量吸收位移曲线E-u和功位移曲线W-u。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。如图1所示，二维多孔材料在沿共异面方向施加动态压缩载荷时的应力应变曲线包括线弹性、塑性屈服、平台区和密实化的变形过程。弹性变形末，应力首先达到初始峰应力oj对应初始应变￡(|)。然后进入平台区变形过程，此时应力在一定水平值上下波动。 平台区段的应力均值称为动态峰应力σρ。平台区过后是密实化变形，应力急剧增加。平台区变形末密实化变形开始时所对应的应变称为密实化应变ε D。本发明二维多孔材料的动态压缩力学性能参数的计算方法，按照以下步骤进行步骤1、如图2所示，采用ANSYS/LS-DYNA软件，建立二维多孔材料有限元计算模型，将一定尺寸的二维多孔材料3放在水平设置的上压板1和固定支撑板2之间，上压板1 和固定支撑板2均为刚性材质，使上压板1勻速向下运动以向该二维多孔材料3施加载荷。 利用Belytschko类型的壳单元Siell 163划分网格，定义整个模型单面无摩擦自动接触，该二维多孔材料有限元计算模型分别与上压板1和固定支撑板2之间存在摩擦力，摩擦系数为 0. 02。启动ANSYS/LS-DYNA软件进行计算，计算完毕后利用LSPREPOSTD对计算结果进行后处理，得到二维多孔材料的压缩力时间曲线F-T、位移时间曲线u-T、动能时间曲线K-T、 内能时间曲线U-T和总能量吸收时间曲线E-T。步骤2、对得到的压缩力时间曲线F-T、位移时间曲线u-T、动能时间曲线K-T、内能时间曲线U-T和总能量吸收时间曲线E-T在LSPREPOSTD软件里进行XYPLOT运算，得到压缩力位移曲线F-u、动能位移曲线K-u、内能位移曲线U-u和总能量吸收位移曲线E-u ；对压缩力位移曲线F-u进行积分运算，得到功位移曲线W-u曲线。步骤3、由压缩力位移曲线F-U读出二维多孔材料的初始压缩载荷Ftl、对应初始位移Utl以及密实化位移uD，由功位移曲线W-u曲线读出对应初始位移Utl和密实化位移uD分
5别对应的初始功Wtl和密实化功WD。在不同压缩速度下，因惯量的影响二维多孔材料会表现出不同的变形模式。在低速时会表现出均勻变形的模式；高速的情形下会表现出“一”字型的变形模式；中速情形下会表现出过渡变形模式。本发明中，将二维多孔材料表现均勻变形模式的速度定义为“低速”，一般小于等于20m/s ；其余两种变形模式时的速度定义为“高速”，一般大于20m/s。当二维多孔材料样品的构型和结构参数固定时，改变上压板1的运动速度进行步骤1至3。图3为相应低速压缩载荷条件下二维多孔材料典型的响应曲线图，图3a为相应压缩力位移曲线F-u，图: 为动能位移曲线K-u、内能位移曲线U-u、总能量吸收位移曲线 E-u和功位移曲线W-u。图4为高速压缩载荷条件下二维多孔材料典型的响应曲线图，图如为相应压缩力位移曲线F-u，图4b为相应动能位移曲线K-u、内能位移曲线U-u、总能量吸收位移曲线E-u和功位移曲线W-u。如图3a和如所示，不论是低速压缩载荷条件还是高速压缩载荷条件下，其压缩力位移曲线F-u的弹性变形末会出现初始压缩载荷Ftl，对应初始位移IV结合图北所示，低速压缩载荷条件下二维多孔材料的动能相对较低，此时平台区压缩力波动幅度很小，平台区变形结束时刻就是密实化开始的时刻，直接得出uD的位置。如图5所示，随着压缩载荷速度的增加动能不断增加，密实化开始时二维多孔材料的动能出现局部峰值，而且该峰值所对应的位移随速度增加而增加。结合图4b所示，对于高速压缩载荷条件下，该动能峰值所对应的位移就是密实化位移，此时内能、总能量吸收和功等响应曲线开始急剧上升。通过功位移曲线W-u曲线，即得到初始位移Utl和密实化位移uD所分别对应的初始功Wtl和密实化功WD。步骤4、按照如下公式计算二维多孔材料压缩力学性能参数初始应变ε Q = u0/h ；密实化应变ε D = uD/h ；初始峰应力σ Q = F0/ (w*b)；动态峰应力σρ= (Wd-W0)/((uD-u0)；其中，h为二维多孔材料3沿压缩方向上的高度，w为二维多孔材料3垂直于压缩方向矩形横截面的长度，b为二维多孔材料3垂直于压缩方向矩形横截面的宽度。本发明适合于规则和不规则二维多孔材料，不管是规则还是不规则的二维多孔材料，只需要按材料实际尺寸来构建计算模型即可。为了能有效验证本发明方法计算结果的可靠性，如下相关实施例将以规则二维多孔材料为例来进行说明。实施例1三角形二维多孔材料的动态压缩力学性能参数的计算步骤1、选用铝材作为壁材材质，属双线性硬化材料，杨氏模量为68. 97GPa、屈服应力为^2MPa、正切模量为689. 7MPa、泊松比为0. 35、密度为2700Kg/m3。采用ANSYS/LS-DYNA软件建立该三角形二维多孔材料有限元计算模型，如图6所示，将三角形二维多孔材料4放在水平设置的上压板1和固定支撑板2之间，上压板1和固定支撑板2均为刚性材质，使上压板1勻速向下运动向该三角形二维多孔材料4施加载荷。 该三角形二维多孔材料是周期性的，特征单元中三角形腰边长为3mm，底角为60°，壁厚为 0. 1mm。该三角形二维多孔材料沿宽度方向三角形单元数量为10，沿高度方向三角形单元数量为8。所以沿压缩方向上的长度h = 8X3Xsin60° = 20. 7848mm，压缩方向横截面水平方向上的长度为W= 10X2X3Xcos60° = 30mm。压缩方向横截面水平方向上的宽度(即孔深)b = 10mm。上压板向下运动速度分别为3m/s和100m/S。为了保证该三角形二维多孔材料的面内变形这一周期性边界条件，将其所有面上节点异面方向上的位移限制为O。三角形二维多孔材料有限元计算模型分别与上压板和固定支撑板之间的摩擦系数为0. 02。利用Belytschko类型的壳单元》ιθ11163对二维多孔材料进行网格划分。启动ANSYS/LS-DYNA软件进行计算，计算完毕后通过LSPREPOSTD软件对计算结果进行后处理，得到该三角型二维多孔材料在3m/s和lOOm/s两种压缩载荷条件下的压缩力时间曲线F-T、位移时间曲线u-T、动能时间曲线K-T、内能时间曲线U-T和总能量吸收时间曲线E-T。步骤2、对上述压缩力时间曲线F-T、位移时间曲线u-T、动能时间曲线K-T、内能时间曲线U-T和总能量吸收时间曲线E-T经LSPREPOSTD软件的XYPLOT运算后，得到压缩力位移曲线F-u、动能位移曲线K-u、内能位移曲线U-u和总能量吸收位移曲线E-u ；对压缩力位移曲线F-u进行积分运算，得到功位移曲线W-u曲线。图7为该三角形二维多孔材料在3m/s的压缩载荷条件下的响应曲线图，图7a为相应压缩力位移曲线F-u，图7b为相应动能位移曲线K-u、内能位移曲线U-u、总能量吸收位移曲线E-u和功位移曲线W-u曲线。图8为该三角形二维多孔材料在100m/S的压缩载荷条件下的响应曲线，图8a为相应压缩力位移曲线F-u，图8b为相应动能位移曲线K-u、内能位移曲线U-u、总能量吸收位移曲线E-u和功位移曲线W-u曲线。步骤3、由上述各响应曲线得到在3m/s的压缩载荷条件下初始位移Utl = 0. 195mm,初始压缩载荷Ftl = 12. 95KN， 密实化位移uD = 15. 99mm，初始功Wtl = 1. 266J，密实化功Wd = 58. 29J0在lOOm/s的压缩载荷条件下初始位移Utl = 0. 057mm,初始压缩载荷F。= 60. 48KN，密实化位移 uD = 16. 77mm，初始功 W0 = 1. 71J，密实化功 Wd = 37. 26J。步骤4、计算该三角形二维多孔材料压缩力学性能参数初始应变ε Q = u0/h ；密实化应变ε D = uD/h ；初始峰应力σ。= Ftl/(w*b)；动态峰应力Op= (Wd-W0)/((uD-u0) ；在3m/s的压缩载荷条件下，得初始应变ε C1 = 0. 0094,密实化应变ε D = 0. 77， 初始峰应力ο Q = 43. 17MPa，动态峰应力σ p = 12. 03MPa。在100m/S的压缩载荷条件下，得初始应变ε C1 = 0. 0027，密实化应变ε D = 0. 807，初始峰应力 σ 0 = 201. 61MPa，动态峰应力 σ p = 27. 03MPa。改变三角形二维多孔材料的壁厚，使其分别取值为0. 03mm、0. 07mm、0. 1mm、 0. 15mm、0. 2mm、0. 25mm、0. 30mm和0. 40mm，保持其它结构参数不变，在lOOm/s的压缩载荷条件下，依据上述方法得到的密实化应变ε D值如下表1所示。表 权利要求
1.二维多孔材料的动态压缩力学性能参数的计算方法，其特征在于，按照以下步骤进行步骤1、采用ANSYS/LS-DYNA软件，建立二维多孔材料有限元计算模型，将一定尺寸的二维多孔材料C3)放在水平设置的上压板(1)和固定支撑板( 之间，所述上压板(1)和固定支撑板( 均为刚性材质，使上压板(1)勻速向下运动向该二维多孔材料C3)施加载荷；利用Belytschko类型的壳单元aie11163将所述二维多孔材料有限元计算模型划分网格；启动ANSYS/LS-DYNA软件进行计算，计算完毕后通过LSPREP0STD软件对计算结果进行后处理，得到二维多孔材料的压缩力时间曲线F-T、位移时间曲线u-T、动能时间曲线K-T、 内能时间曲线U-T和总能量吸收时间曲线E-T ；步骤2、对上述压缩力时间曲线F-T、位移时间曲线u-T、动能时间曲线K-T、内能时间曲线U-T和总能量吸收时间曲线E-T经LSPREP0STD软件的XYPLOT运算后，得到压缩力位移曲线F-u、动能位移曲线K-u、内能位移曲线U-u和总能量吸收位移曲线E-u ；对压缩力位移曲线F-u进行积分运算，得到功位移曲线W-u曲线；步骤3、由压缩力位移曲线F-u读出二维多孔材料的初始压缩载荷Ftl、对应初始位移Utl 以及密实化位移uD，由功位移曲线W-u曲线读出对应初始位移Utl和密实化位移uD分别对应的初始功Wtl和密实化功Wd ；步骤4、计算二维多孔材料压缩力学性能参数 初始应变ε ο = u0/h ； 密实化应变ε D = uD/h ； 初始峰应力O0 = F0/(w*b)； 动态峰应力 Op= (Wd-W0)/((uD-u0)；其中，h为二维多孔材料(3)沿压缩方向上的高度，w为二维多孔材料(3)垂直于压缩方向矩形横截面的长度，b为二维多孔材料C3)垂直于压缩方向矩形横截面的宽度。
2.按照权利要求1所述二维多孔材料的动态压缩力学性能参数的计算方法，其特征在于，步骤1中，定义二维多孔材料有限元计算模型分别与所述上压板(1)和固定支撑板(2) 之间的摩擦系数为0. 02。
全文摘要
本发明公开了一种二维多孔材料的动态压缩力学性能参数的计算方法，按照以下步骤进行利用ANSYS/LS-DYNA软件建立有限元计算模型，将二维多孔材料放在水平设置的上压板和固定支撑板之间，使上压板匀速向下运动向该二维多孔材料施加载荷；对该二维多孔材料有限元计算模型划分网格，启动计算。通过LSPREPOSTD软件对计算结果进行后处理软件，得到二维多孔材料与上压板之间的接触力和各种响应曲线；最终通过公式计算二维多孔材料压缩力学性能参数。本发明方法能满足高速和低速压缩载荷条件下二维多孔材料的动态压缩力学参数的求解，结算结果可靠，运算简便快捷。
文档编号G06F17/50GK102508934SQ20111028070
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月21日 优先权日2011年9月21日
发明者刘淼, 孙德强, 谢利 申请人:西安理工大学