Моделирование деформирования и разрушения пористых сред с учетом особенностей их морфологического строения

Бесплатный доступ

Исследуется механическое поведение и разрушение пористых материалов с алюминиевой матрицей. Целью работы является создание численных моделей разрушения таких материалов и выявление зависимостей характера процессов разрушения от особенностей структурной морфологии. Компьютерные модели представительных объемов данных материалов представляют собой случайные неоднородные структуры с ячейками закрытого и открытого типов. Для создания трехмерных геометрических моделей структур закрытого типа использовались методы последовательного синтеза сфер, с возможностью их взаимного пересечения. Для создания моделей взаимопроникающих структур открытого типа используются методы, основанные на аналитическом определении поверхностей, разделяющих две фазы. В данной работе были изучены и реализованы три подхода к численному моделированию разрушения представительных объемов пористых материалов. Первый подход - это реализация модели упругого поведения и накопления повреждений, основанная на деградации упругих свойств в соответствии с выполнением критерия максимальных напряжений с понижением коэффициентов матрицы жесткости в отдельных элементах. Второй подход - это реализация той же модели, но с удалением разрушенных элементов. Третий подход основан на модели упругопластического поведения и разрушения Джонсона - Кука. Численное моделирование представительных объемов проводилось с помощью конечно-элементного анализа с использованием каждого из вышеобозначенных подходов. Влияние внутреннего строения представительных объемов пористых материалов на процессы деформирования и разрушения исследовано на примере нескольких структур открытого и закрытого типа. Изучено влияние концентраторов напряжений на распределение напряжений в представительных объемах и характер их последующего разрушения.

Еще

Пенометаллы, представительный объем, открыто-ячеистая структура и закрыто-ячеистая структура, разрушение, деградация упругих свойств, модель джонсона - кука

Короткий адрес: https://sciup.org/146282015

IDR: 146282015   |   УДК: 539.3   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.15

Modeling of deformation and fracture of porous media taking into account their morphological composition

This paper investigates the mechanical behavior and fracture of porous materials with an aluminum matrix. The purpose of the work was to create numerical models of failure of representative volume elements of such materials and to reveal the dependences of the nature of the failure processes on their structural morphology. Representative volume elements of these materials are random non-uniform structures of closed-cell and open-cell types. To create three-dimensional geometric models of the closed-cell structures, methods of sequential synthesis the possibility of their mutual intersection were used. For creation of models of interpenetrating structures of the open-cell type, methods based on the analytical determination of surfaces separating the two phases are used. In this paper, three approaches to fracture mechanics of representative volume elements of porous materials were studied and implemented. The first approach is an implementation of the elastic model and damage accumulation based on elastic properties degradation in accordance with the criterion of maximum stresses with reduction of the stiffness matrix coefficients in individual elements. The second approach is an implementation of the same model, but with removal of the failed elements. The third approach is based on the Johnson-Cook elastic plastic behavior and fracture model. Numerical modeling of the representative volumes was carried out with finite element analysis using each of the above approaches. The influence of the internal structure of the representative volumes of the porous materials on the processes of deformation and failure was studied on the example of several structures of open-cell and closed-cell types. The influence of stress concentrators on the distribution of stresses in representative volumes and character of their subsequent failure has been studied.

Еще

Список литературы Моделирование деформирования и разрушения пористых сред с учетом особенностей их морфологического строения

  • Bi S., Chen E., Gaitanaros S. Additive manufacturing and characterization of brittle foams // Mech. Mater. Elsevier. -2020. - Vol. 145, № January. - P. 103368. DOI: 10.1016/j.mechmat.2020.103368.
  • Cheng I.C., Hodge A.M. Strength scale behavior of nanoporous Ag, Pd and Cu foams // Scr. Mater. Acta Materialia Inc. - 2013. -Vol. 69, № 4. - P. 295-298. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2013.04.023.
  • Overview of porous media/metal foam application in fuel cells and solar power systems / W.C. Tan [et al.] // Renew. Sustain. Energy Rev. Elsevier Ltd, - 2018. - Vol. 96, № June. -P. 181-197. DOI: 10.1016/j.rser.2018.07.032.
  • Neikov O.D. Porous Powders and Metallic Foams // Handbook of Non-Ferrous Metal Powders. - 2nd ed. - Elsevier, 2019. - P. 323-349. DOI: 10.1016/B978-0-08-100543-9.00011-7
  • Jung A., Diebels S. Microstructural characterisation and experimental determination of a multiaxial yield surface for open-cell aluminium foams // Mater. Des. Elsevier, - 2017. - Vol. 131, № June. - P. 252-264. DOI: 10.1016/j.matdes.2017.06.017
  • Zhou J., Allameh S., Soboyejo W.O. Microscale testing of the strut in open cell aluminum foams // J. Mater. Sci. - 2005. -Vol. 40, № 2. - P. 429-439. DOI: 10.1007/s10853-005-6100-8
  • Three dimensional modelling of closed-cell aluminium foams with predictive macroscopic behaviour / B. Vengatachalam [et al.] // Mech. Mater. Elsevier. - 2019. - Vol. 136, № May. -P. 103067. DOI: 10.1016/j.mechmat.2019.103067
  • Ag effects on the elastic modulus values of nanoporous Au foams / A.M. Hodge [et al.] // J. Mater. Res. - 2009. - Vol. 24, № 4. - P. 1600-1606. DOI: 10.1557/jmr.2009.0184
  • Fracture behavior of additively manufactured components: A review / M.R. Khosravani [et al.] // Theor. Appl. Fract. Mech. Elsevier. - 2020. - Vol. 109, № July. - P. 102763. DOI: 10.1016/j.tafmec.2020.102763
  • Li X., Xu J. Metal matrix nanocomposites // Comprehensive Composite Materials II. Elsevier Ltd., 2018. -Vol. 6-8. - P. 97-137. DOI: 10.1016/B978-0-12-803581-8.10351-0
  • Recent progress of reinforcement materials: a comprehensive overview of composite materials / D.K. Rajak [et al.] // J. Mater. Res. Technol. Korea Institute of Oriental Medicine. -2019. № xx. - P. 1-21. DOI: 10.1016/j.jmrt.2019.09.068
  • Jiao J., Huber N. Deformation mechanisms in nanoporous metals: Effect of ligament shape and disorder // Comput. Mater. Sci. The Authors. - 2017. - Vol. 127. - P. 194203. DOI: 10.1016/j.commatsci.2016.10.035
  • Compressive behavior of closed-cell aluminum alloy foams at medium strain rates / Z. Wang [et al.] // Mater. Sci. Eng. A. Elsevier B.V., - 2011. - Vol. 528, № 6. - P. 2326-2330. DOI: 10.1016/j.msea.2010.12.059
  • Fracture in nanoporous gold: An integrated computational and experimental study / N. Beets [et al.] // Acta Mater. Elsevier Ltd. - 2020. - Vol. 185. - P. 257-270. DOI: 10.1016/j.actamat.2019.12.008
  • Insights into fracture mechanisms in nanoporous gold and polymer impregnated nanoporous gold / E. Griffiths [et al.] // Extrem. Mech. Lett. Elsevier Ltd. - 2020. - Vol. 39. - P. 100815. DOI: 10.1016/j.eml.2020.100815
  • Two-scale study of the fracture of an aluminum foam by X-ray tomography and finite element modeling / C. Petit [et al.] // Mater. Des. Elsevier Ltd. - 2017. - Vol. 120. - P. 117-127. DOI: 10.1016/j.matdes.2017.02.009
  • Fracture mechanics of stainless steel foams / S. Kashef [et al.] // Mater. Sci. Eng. A. Elsevier, - 2013. - Vol. 578. -P. 115-124. DOI: 10.1016/j.msea.2013.03.062
  • Kadkhodapour J., Raeisi S. Micro-macro investigation of deformation and failure in closed-cell aluminum foams // Comput. Mater. Sci. Elsevier B.V. - 2014. - Vol. 83. - P. 137-148. DOI: 10.1016/j.commatsci.2013.10.017
Еще