（固体力学专业论文）泡沫金属材料孔结构力学性能测试技术及表征方法.pdf

蔓堕查兰堡主兰焦堡苎 泡沫金属材料孔结构力学性能 测试技术及表征方法 摘要 本文主要对泡沫金属材料孔结构力学性能测试技术及表征方法做了前期阶段的探讨，即孔几何 形态周长和面积算法的探索。 泡沫金属材料的力学性能与制备工艺密切相关，本文简要介绍泡沫金属材料制备技术和优越的 物理、结构性能之后着重论述目前泡沫金属材料力学性能的研究成果，并从目前研究现状介绍了 孔结构力学性能测试的几种方法。 本文选择了将几何形态学、数字图像处理与模式识别技术和统计分析理论相结合的方法，针对 实验所拍图像讨论了图像的去噪处理和边缘检测技术。即首先将含有目标的图像与背景图像相减， 然后对其进行同态滤波、中值滤波、均值滤波和边缘锐化。接着用基于左右导数算子粗略定位目标 的边缘，再用十字型边缘检测技术将边缘精确定位到一个像素的精度，并采用重心算子进行亚像素 边缘搜索，得到实数边缘点坐标。最后将这些实数边缘点用n u r b s 曲线插值成连续曲线，进而可 应用曲线积分方法求图形的周长和面积。 周长、面积算法要求采样稳定，精度高，于二是又对此算法的稳定性和精度进行了实验验证和分 析。实验证明：采样时间间隔和物体在视场中的平移、旋转产生的误差均可忽略不计。不仅如此， 它还能灵敏检测出物体在视场中的微小变形。为提高计算精度还对物体的放大倍数进行了实验分 析。 此算法经过实验验证以后，最终要应用到泡沫金属材料孔结构孔的周长、面积测试中，所以本 文将此算法应用到了3 c m x3 c r u x3 c m 的立方体泡沫铝试件在荷载作用下其表面上孔变形前后的周 长、面积测试，而且还分析了由它们推导出的几伺图形的特性之一一形状因子的变化。通过重心算 法在本文中的实验测试和泡沫铝上的应用，分析了其适j ； = 范围，同时也提出了一种理论上更加精确 的周长、面积算法做为后续工作。 关键词：泡沫金属材料，滤波，基于左右导数算子，十字型边缘检测，重心算子，n u r b s 曲线插 值 查堕查兰堡主兰堡兰苎一 e x p l o r i n gat e c h n i q u e o ft e s t i n g m e c h a n i c a lb e h a v i o r o f p o r o u sm e t a l l i c m a t e r i a l s a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e sm a i n l yat e c h n i q u eo ft e s t i n gm e c h a n i c a lb e h a v i o ro fp o r o u sm e t a l l i c m a t e r i a l si nt h e p r o p h a s e ，i e t h e a c c u r a t ea r i t t m a e t i co fg e o m e t r i c a l l ym o r p h o l o g i c a lp a r a m e t e r s t h e p e r i m e t e ra n da r e a t h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro f p o r o u sm e t a l l i cm a t e r i a l si sc l o s e l yc o r r e l a t i v ew i t ht h em a n u f a c t u r e ，s oi t s t a t e sb r i e f l yt h em a n u f a c t u r et e c h n i q u e sa n de x c e l l e n tp r o p e r t i e so f p o r o u sm e t a l l i cm a t e r i a l sf i r s t l y t h e n i te m p h a s i z e st h ec u r r e n t l yf r u i t so fm e c h a n i c a lb e h a v i o r s a n di tm a k e ss o m eg o o da n df e a s i b l ep r o p o s a l s o n t e c h n i q u e so f t e s t i n gm e c h a n i c a lb e h a v i o ro f p o r o u sm e t a l l i cm a t e r i a l s am e t h o do fc o m b i n gg e o m e t r i c m o r p h o l o g i c ，d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，p a t t e r nr e c o g n i z a t i o n t e c h n i q u e sa n ds t a t i s t i c st h e o r yi sa p p l i e dt os t u d y s oi ti n t r o d u c e st od e n o i s ea n de d g e - d e t e c tt e c h n i q u e s o fi m a g e st h a ti st os a y , a l li m a g ei n c l u d i n ga no b j e c ti ss u b t r a c t e db yt h ei m a g ei n c l u d i n gt h eb a c k g r o u n d f i r s t l y t h e nt h ei m a g ei sf i l t r a t e db yh o m e o s t a s i sf i l t r a t i o n ，m e d i a nf i l t r a t i o n ，a v e r a g ef i l t r a t i o na n de d g e s h a r p a n dt h ee d g eo fa no b j e c ti sr o u g h l yo r i e n t a t e db yt h er i g h ta n dl e f td i f f e r e n t i a lo p e r a t o r s 。t nt h e f o l l o w i n g ，t h ee d g e sp r e c i s i o ni sg o n et oap i x e lb y t h ec r o s s e dw i n d o w o p e r a t o r s t h e nr e a lc o o r d i n a t e so f t h ee d g ea r eg a i n e db yt h es u b p i x e lt e c h n i q u eb a s e dh a r y c e n t e ro p e r a t o r si nt h ee n d ，t h er e a ln u m b e r sa r c l o o k e do na sas t y l e b o o ka n di n t e r p o l a t e di n t on o u n i f o r mr a t i o n a lb s p l i n e ( n u r b s ) s ot h ec u r v i l i n e a r i n t e g r a lc a nb ea p p l i e dt og e tt h ep e r i m e t e ra n da r e a s t e a d ys a m p l i n ga n dh i g hp r e c i s i o na r cr e q u i r e di nt h ea r i t h m e t i c ，s os t e a d ys a m p l i n ga n dh i g h p r e c i s i o n i nt h ea r i t h m e t i ca r et e s t e da n da n a l y z e di nt h e e x p e r i m e n t s t h ee x p e r i m e n t sp r o v et h a t d i s c r e p a n c i e sb r o u g h tb ys a m p l i n gt i m es l o ta n dt h eo b j e c t sm o v i n ga n dc i r c u m g y r a t i n gi nt h ev i e wf i e l d a r ea l li g n o r e d f u r t h e rm o r e ，i tm a ya l s oc h e c ko u tt i n yd e f o r m a t i o n so ft h eo b j e c ta c c u r a t e l yi nt h ev i e w f i e l d i no r d e rt og e th i g h p r e c i s i o n ，a l lk i n d so f a m p l i f i c a t o r ym u l t i p l e sa r ea n a l y z e de x p e r i m e n t a l l y t h ea r i t h m e t i ci sa p p l i e dt oc a l c u l a t ec e l l s p e r i m e t e r sa n da r e a so f p o r o u sm e t a l l i cf o a ma i ，a n df o r m g e n e sd e p e n d i n go nt h ep e r i m e t e r sa n da r e a sa r ee d u c e da n da n a l y z e d f i n a l l y , i td i s c u s s e sw h e t h e rt h e a r i t h m e t i cm a yb ea p p l i e dt ot h ef i e l d a n di ts t a t e san e wa r i t h m e t i ct h a li sm o r ea c a 2 u t a t ei nt h et h e o r y k e yw o r d s ：p o r o u sm e t a l l i cm a t e r i a l s ，r i g h ta n dl e f td i f f e r e n t i a lo p e r a t o r , c r o s s e dw i n d o wo p e r a t o r , b a r y c e n t e ro p e r a t o r , n u r b si n t e r p o l a t i o n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获碍东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：丝丝拯日期：幽、多歹 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相 敛。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查i 弼和借阅，可以公布( 包括 干u 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊蹙) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：懂逸耀 导师签名： 叠垄曰期：多；亏 苎二兰堕堡 1 1 多孔泡沫金属简介“1 第一章绪论 多孔材料是当前材料科学中发展较为迅速的一种新型材料，其研究范围很广。目前研究较多的 有各种无机气凝胶、有机气凝胶、多孔半导体材料、多孔金属材料等。这些材料具有小密度，高的 孔隙率，大的比表面积( 物体表面积与其体积的比值) 并且可以有选择地透过流体等特点。 那么作为其分枝的多孔泡沫金属，如图1 1 所示，又是一个什么概念呢? 关于这一点，叫法比 较混乱。英文有这样三种称呼：f o a m e dm e t a l s ，p o r o u sm e t a l s m e t a l l i cf o a m s 。另外国外通常把粉 末冶金的预成形块也称作p o r o u sm e t a l s ，熔炼出的海绵状金属也称作p o r o u sm e t a l s ( s p o n g em e t a l s ) 。 多孔泡沫金属属于多孔材料之列。一般认为它应具有以下结构特征：( 1 ) 孔径较大，般为o 5 6 m m 或更大；( 2 ) 孔隙率较高，达6 0 8 0 ；( 3 ) 比重较轻，仪为同体积金属的1 1 0 3 5 ：( 4 ) 比表面积较大，可达l o 4 0 c m 2 f c m 3 ；( 5 ) 网状骨架主体成分为金属。可见多孔泡沫金属的主要结 构特征是孔径较大而且孔隙率高。 图1 1 泡沫金属试样 因此这类材料既具有金属的性质，结构上又与泡沫塑料相似。故较为正确的叫法应该是多孔泡 沫金属( p o r o u sm e t a l l i cf o a m ) 。根据其内部孔隙结构的不同，可分为通孔和闭孔两大类。 近十几年来，多孔泡沫金属已经得到了非常广泛的应用，遍及汽车，建筑，化工，电化学，航 空、航天，军事工业等各个领域。具体来说，多孔泡沫金属可以被用作减震器，缓冲器，吸能器， 过滤器，流体透过器热交换器，灭火器，发动机的排气消声器，催化剂载体，多孔金属电极等。 由于多孔泡沫金属具有优异的性能，因此引起了材料研究者们的极大兴趣，他们对泡沫金属的制各 工艺及性能进行了广泛深入的研究。 1 2 多孔泡沫金属材料国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 人们很早就使用了泡沫材料，而对于泡沫金属材料，却比较陌生。泡沫金属作为泡沫材料的一 种，已有五十多年的发展历史。 自从1 9 4 8 年美国s o s n i k 首先在铝中加入汞制出泡沫铝以来，研究人员在泡沫金属的制各、 东南大学硕士学位论文 性能研究、应用开发等方面做了大量的工作。2 0 世纪6 0 7 0 年代，泡沫金属的制备方法体系大体 固定下来，可分为铸造法、金属沉积法、粉末冶金法、喷镀沉积法“1 。其中尤其以铸造法最为经济， 近些年来已在实际应用中取得很大进展。如美国罗阿公司及美日合作分别用直接发泡法和熔模铸造 法成功地制取了铝合金牌号为7 0 7 5 、a l m a g 3 5 的泡沫铝型材“1 。 从泡沫金属的出现到2 0 世纪7 0 8 0 年代，研究主要集中在泡沫金属的制备方面。比如，在制 备泡沫金属铝时增粘问题的解决对泡沫铝的制备起了很大的推动作用“；另外，气泡核心机理的提 出及应用对泡沫金属的制备又是一次很大的突破，这种理论就如同金属凝固过程中加入形核剂样， 使泡沫金属的直接成型成为可能”“。 人们对泡沫金属材料制各技术研究有了一些进展。德国不莱梅提出了一种用粉末冶金法生产金 属泡沫材料的方法井用该方法成功地试制出a l g i l 2 泡沫铝。此外，也有有关向熔化金属中吹入气 体生产泡沫金属的报道。当前此生产方法还没有成功地用于规模生产，在这方面还有待于进一步的 研究。 目前，人们正从多方面着手去研究泡沫金属材料的性能，除了其物理、结构性能的研究外，在 改善泡沫铝性能方面各国也都投入了大量的人力、物力，研究的内容主要包括对发泡金属的合金化、 热处理、纤维增强或其它一些增强方法“”1 。其中以乌克兰冶金学家沙波瓦洛夫研制的g a s s e r 高强 多孔泡沫材料最为典型“3 ，这种材料具有高度的结构完整性，和常规多孔泡沫材料相比，强度和刚 度都商得多。 另外t 最近几年在理论方面也开始对泡沫金属进行系统的研究。首先，人们越来越感觉到泡沫 金属在物理结构上的特殊性，它不仅是一种结构材料，而且是一种具有许多特殊物理性能的多功能 材料a 它那些特殊的性能都能从它的结构上找出原因。例如泡沫金属孔隙通孔率与闭孔率的钡0 定研 究、孔径的统计测量、比表面积的测量及这些参数对泡沫金属性能的影响1 。其次，在泡沫金属性 能方面的系统研究，如泡沫金属的变形特性。、吸声特性、阻尼内耗特性1 等，都给进一步的应 用提供了理论依据。 目前，对泡沫金属的应用和研究已经取得了很大成果，己能制备小型和大型件，并进入试生产 应用阶段1 。比如，日本住友电工公司生产的泡沫铝被用于制造汽车的某些耐热耐摩擦部件和扬声 器的部件：在铁路上，泡沫铝被用于制作空调发电室的隔音墙1 。此外泡沫铝还被用于做为精密 仪器的防震装置材料等。 l ，2 2 国内研究现状 垡竺沫金属的制器方面，国内对发泡法“”1 、冶金法与渗流法i z i - z 2 1 的研究比较多，而且基本 赶上了国外发达国家的水平。 在理论性能方面，国内研究比较早，所研究的领域基本处于国际领先水平如对泡沫金属结构 2 釜二童堕笙一 参数的测定1 、降噪性能1 、水下吸声性能”、阻尼性能”。1 等都做了大量的研究，并取得了很可观 的成果。泡沫金属中孔隙数量庞大、大小不一，人工测量这些结构参数极为困难t 文献 2 7 中用扫 描仪将泡沫金属的图形信息输入计算机并进行数据处理，从而测出孔的平均直径及孔径分布，较好 地解决了测量泡沫金属结构参数的难题。文献 3 0 表明，泡沫金属是一种具有高能量吸收特性的轻 质高阻尼材料，其阻尼性特点为与应变振幅密切相关，而与应变频率无显著关系的非线性内耗。而 这方面的研究，国外1 9 9 8 年才有报道”。 在应用方面。国内研究铰少。当前主要应用在航空、航天领域，如我校材料科学与工程系制各 的泡沫铝已被应用到了神州五号载人飞船的制造上。 1 3 多孔泡沫金属材料的制备方法口” 泡沫金属材料的结构特点和性能与制备方法密切相关，因此要研究它的材料特性必须先明确其 制各方法。 1 3 1 制备方法 从2 0 世纪中叶开始，世界各国竞相投入到多孔泡沫金属的研究与开发之中同时也相继提出了 各种不同的制备工艺。这些工艺各有其优缺点，对于不同的应用场合、不同的结构要求，所采用的 制备方法也不同。根据其内部孔结构的不同，泡沫金属可分为两大类，即：1 ) 闭孔泡沫金属，其制 各方法包括熔体发泡法、粉体发泡法、加中空球料法和溅射喷镀法：2 ) 通孔泡沫金属，其制各方法 包括渗流铸造法、熔模铸造法、烧结法和镀覆金属法等。近几年研究较多、发展较快的有熔体发泡 法、粉体发泡法、渗流铸造法以及熔模铸造法。 1 3 2 各种制备方法所得产品的特点 熔体发泡法具有工艺简单，成本较低，所得样品孔隙率高等优点，适合制各尺寸较大的试样。 其缺点是气泡分布不均且局部气泡尺寸过大。 粉体发泡法制各工艺较为复杂，但产品质量高，性能稳定，便于商业化生产。利用此法可以制 各形状复杂的半成品尺寸工件，若在其表面粘接或轧制金属板则可以得到三明治式的复合材料。 渗流铸造法是目前制各通孔泡沫金属晟为有效的方法之一。这种方法的优点是所得试样孔结构 均匀，孔隙率较高，且工艺较为简单。 熔模铸造法制得的试样对母体材料具有继承性，孔隙三维贯通、结构均匀，并不受材质、形状 和大小的限制，能够提供制造各种用途的通孔泡沫金属。其缺点是金属骨架强度低工艺较复杂。 i 4 多孔泡沫金属材料的性能却 泡沫金属材料的性能主要取决于气孔在基体材料内的分布情况，包括气孔的类型、形状、大小、 数量、均匀性以及比表面积等。 查塑查兰堡主兰垡丝兰一 1 4 1 渗透性能 渗透性是高孔隙材料在过滤、液一液分离、噪声抑制等用途中的关键性能。泡沫金属中闭孔的 数目对渗透- 陛的影响较大，只有那些具有通孔结构的泡沫材料才有完全渗透性能。另外，渗透性还 与孔径大小、孔的表面光洁度、渗透物体的性质( 如黏度、流速) 、渗透压力等因素有关。 1 4 2 消声减震性能 具有孔结构的泡沫金属材料，当有声波或机械振动波进入时，可以通过泡沫材料内轻微的振动 将之转化为热能而散发掉。孔隙率越高，孔直径越小消生减震性越好。泡沫金属材料的消声能力 虽不及玻璃棉、石棉等，但后者存在长期使用易老化、吸湿后消声能力下降等缺点，而泡沫金属材 料具有不燃烧、重量轻、强度较高等优点，是一种优受的消声减震材料。 1 4 3 热传导性能 泡沫金属材料的导热系数介于金属材料与隔热材料之间。并随孔隙率的增加而减小，因此闭孔 结构的绝热性能优于通孔结构。 具有通孔结构的泡沫金属置于流动的空气或液体之中时，由于其大的表面积、复杂的三维流动， 使之具有很好的散热能力，在自然对流的条件下，在定范围内增大孔径、孔隙率均有利于提高对 流换热能力。 1 5 多孔泡沫金属材料的应用口3 1 1 5 1 电极材料 随着高档电器( 便携式计算机、无绳电西等) 的迅速发展，可重复使用的高体积比容量、高质 量比容量的充电电池的消耗也越来越大。高孔隙率( 9 5 ) 的泡沫金属对提高电池的这些性能提供 了用武之地如当泡沫镍作为电极材料用于n i c d 电池的电极时，电极的气液分离好、过电压低， 能效可提高9 0 ，容量可提高4 0 ，并可快速充电，在电池行业中，镍镉电池、镍氢电池、可充电 碱性电池一致趋向于采用泡沫镍作为正负极板以提高容量这是电池行业的一个突破。对电池电极 用泡沫镍的性能参数要求已有较为深入的研究。 1 5 2 流体压力缓冲材料 泡沫金属可装在气体或液体管道中，当其一侧的流体压力或流速发生强烈波动时，泡沫金属材 料可以通过吸收流体的部分动能和阻缓流体透过的作用，从而使泡沫金属体另一侧的波动大大减小， 此效应可用于保护精密仪表。 1 5 3 吸能材料 在将泡沫金属垫在振动部位的接合部时利用多孔泡沫材料的弹性变形可吸收一部分机械冲击 4 笙二兰兰坠 能。强大的能量吸收能力使得它有可能用于汽车的保险杠甚至于航天器的起落架，也可用作制造升 降运输系统的缓冲器、磨矿机械的能量吸收衬层、汽车乘客坐位前后的可变形材料以改善安全性， 优异的减振性能也使泡沫材料有可能用作火箭和喷气发动机的支护材料。 1 5 4 消音材料 因为声波也是一种振动故声音透过泡沫金属时，可在材料内发生散射、干涉- 声能被材料吸 收，所以泡沫金属也可用于声音的吸收材料即消音材料，这种消音材料在气体管道和蒸汽管道中 都可获得应用。 1 5 5 阻燃、防爆材料 泡沫金属既有很好的流体穿透性又可有效地阻止火焰的传播且自身有一定的耐火能力，于是可 放置在输运可燃性液体或气体的管道中以防止火焰的传播，因为流体在输运速度增加时可能会着火 ( 声速在接近爆炸限时会产生约1 5 0 1 0 s p a 的压力) 。实验表明，6 r a m 厚泡沫金属就可阻止碳氢化 合物燃烧速度为2 1 0 m s e e 的火焰，其作用机理可以解释为当火焰中的高温气体或微粒穿过泡沫金属 材料时，由于发生迅速地热交换，热量被吸收和散失，致使气体或微粒的温度降到引燃点以下于 是火焰的传播被阻止。 1 5 6 散热材料 把固体冷却剂熔化渗入由耐热金属制成的多孔骨架中，在经受高温时这种材料内部的冷却剂会 发生熔化和气化而吸收大量的热能，从而使材料在一定时间内保持冷却剂气化温度的水平，逸出的 液体和气体会在材料表面形成一层液膜或气膜，可把材料与外界高温环境隔离，此过程可一直进行 到冷却剂耗尽为止，由于冷却机理相当于材料本身“发汗”，故有自发汗冷却材料之称。 i 5 7 发散冷却材料 发散冷却是一种先进的冷却技术，它是迫使气态或液态的冷却介质通过多孔材料使之在材料 表面建立一层连续、稳定的隔热性能良好的气体附面层，将材料与热流隔开，得到非常理想的冷却 效果。 1 6 光学无损检测技术 材料的检测技术与评价对于控制和改进生产过程中的产品质量，保证材料、零件和产品的可靠 性以及提高生产效率等都起着关键性作用。各种测试技术及有关材料科学和物理科学的发展，为无 损检测技术的应用提供了新的可能性。 无损检测技术就是在不损伤被检材料、工件或设备的情况下，应用某些物理方法来测定材料、 工件或设各的物理性能、状态和内部结构检测其不均匀性，从而判定其合格与否。因此，无损检 测技术是一种既经济而又能检i i i i i 产品性能的技术f 3 4 】。 光测力学是将几何光学和物理光学的原理用于物体基本力学量测量的一门科学，借助于激光技 查查奎兰堡主兰些堡苎一一 术，计算机数字图像处理等技术实验的手段可以直接测量物体的变形和形貌等力学参数a 同理论力 学、材料力学、弹性力学等以理论分析方法为主的力学方法一样。以实验手段为主的实验力学也是 为了获取各种力学量，以确保各类结构和材料的安全性和可靠性，因为实验力学方法避免了理论分 析带来的大量假设和推导，所以实验力学的结果与分析和计算的结果相比更接近真实值脚? 。 由于新材料和新工艺的不断出现，研究的课题已大量超过了原有的领域，很多都要考虑非线性、 非均质、各向异性的材料这时线弹性力学等理论分析方法做的线性，均匀、各向同性等假设均己 无洼成立，甚至连续介质力学的基本假设也遭到破坏，为了研究这些新材料的_ i 生质，发展现有理论， 只能采用实验力学的方法，从丈量的实验中获取材料的性质，建立新的理论。 光学测量方法具有以下优点： ( 1 ) 全场光学钡i l 量方法畿够得到物体表面的变形分布，又而可以求出物体表面的全场应变或 应力分布+ 与贴应变片等电测方法相比具有很大的优越性。 ( 2 ) 精确度高光学测量方法一般可以达到波长量级的精度。 ( 3 ) 无损光学测量方法对被测物体结构不会造成损伤，更适合于无损检测。 ( 4 ) 快速大部分光学测量方法的结果可以在瞬间得出。具有很高的速度。 ( 5 ) 不需要传感器光学测量方法一般不需要在物体的表面粘贴或者插埋任何传感器部件。 ( 6 ) 非接触 由于光学测量方法是对所测物体表面的图像进行分析，所以不需要和被测物体表 面接他。 ( 7 ) 被测物既可以是大物体，如航天飞机，也可以是小物体，如一些微米级的m e m s 元件。 ( 8 ) 可以应用于各种材料。 i 7 问题的提出 目前对泡沫金属材料孔结构的生产方法和性能研究相对比较成熟。各国学者对泡沫金属材料 结构力学性能虽己进行了一些研究但对在载荷作用下孔的变形行为研究较少，孔的大小、几何形 态对于力学性能影躏静研究几乎更是一片空自。而孔的大小、凡何形态对孔结构材料性能有很重要 的影响，因此，迫切需要建立表征孔在荷载作用下失效过程的特征参数找到孔的形态参数随荷载 的演化规律。这对泡沫金属材料的制各工艺和应用研究都具有重要的意义。 多孔泡沫金属材料孔结构的力学性能与其生产方法、母体金属性能、孔隙辜、孔结构的分布特 征以及徽孔的几何特征有着密切的关系。所以，可驻通过测定不同荷载作用下各个微孔几何形态的 变化来建立多孔结构材料的特征参数。基于计算机数字图像处理的非接触测量技术，运用图像分割 与模式识别技术、数字图像相关技术、计算机形态学分析方法和统计分析理论，可用于探索不同荷 载作崩r - - f l 结构的演化规律，确定平面结构几何学特征参数。结合计算机模拟接术，可以进一步建 立孔结构材料立体特征参数与其力学性能之问的关系。周长、面积以及由它们求得的形状因子是几 何图j 形晟有代表性的特征参数，因此通过测定孔在荷载作用下周长、面积和形状因子的变化必然可 建立起孔的几何形态和力学性能之间的关系。但是，在实验过程中发现，孔的这些参数的变化在试 件弹性范围内很小，再加上噪声的影响，用常规的算法几乎检测不出其周长、面积和形状因子的变 化来n 阁l 一2 ( a ) 、( b ) 、( c ) 为某孔在弹性范围内随荷载增加连续采拍的图像。丛图片上可知在弹 性范围幽用肉眼难以看出孔的变形t 所以要寻求一种方法既能检测出孔在荷载作用下周长、面积和 6 堡二兰 堕堡一 形状因子的变化，又需对采样时间间隔、物体在视场中的平移和旋转不敏感。即要寻找一种算法能 够减小或消除这些因素对所求周长、面积的影响a ( a ) 加载前( b ) 荷载为1 5 酬 ( c ) 荷载为3 k n 图i - 2 某孔磁荷载增加连续采拍的龋像 1 8 本文的主要研究内容 本文针对上述问题将数字图像处理技术、几何形态学分析方法和数理统计理论相结合，对周 长、面积算法进行了研究，主要内容如下： 】分析了目前国内外对多孔泡沫金属材料力学性能的研究现状。 2 对采拍嚣像的预处理，砰消除不均匀光照、阴影等噪声的影响去掉噪声等无用信息。着重 论述了物体边界的精确定位问题，即用基于左右导数算子的边缘检测，十字型边缘检测和重心算子 边缘检测来解决本文中图像的边缘定位问题。 3 将实验和周长、面积的重心算法相结合，减小了采样时间间隔、物体在视场中平移和旋转对 周长、面积的影响，同对定性分析了放大倍数对所求周长、面积精度的影响，实验验证了此算法能 够检测出物体在视场中的微小变形。 4 ，检验重心算法是否能够被应用到泡沫铝孔结构在荷载作用下孔的周长、面积变化测试中。 5 分析重心算法的适用范围。提出后续工作。 查堕查兰堡主兰些堡苎 第二章泡沫金属材料力学性能研究现状 泡沫金属材料作为一种新型工程材料，在各种军用、民用的工程结构中均展现出广泛的应用前 景。特别是近几年来泡沫金属材料的生产研制技术已经日趋成熟加速了人们对泡沫金属材料应 用研究的步伐。同时，泡沫金属材料力学性能的研究也已如火如荼的展开孔洞材料力学在国际力 学界己成为民有明确定义的力学研究领域l ”。 2 1 泡沫金属材料力学性能理论分析 与闭孔结构相比，开孔泡沫材料研究起步较早研究相对要成熟一些。 泡沫材料胞体的几何形状过于复杂，无法像蜂窝材科那样精确分析理论上通常采用量纲分析 的方法。也就是选取某种几何形状的胞体摸型，分析其性质与相对密度、基体材料的关系。这种关 系只是按照量级估计的，表达式中保留有一待定常数，通常需要通过实验测定。实践证明。这种量 纲分析的结果只依赖于假定的变形模式，对选取的胞体模型不敏感。对于开孔各向同性泡沫材料， g i b s o n 和a s h b y 采用图2 - 1 所示的正立方体模型。假设弹性变形模式主要是梭杆的弯曲，根据初等 梁理论来计算变形量，并注意到p + ，p 。c ( t ，1 ) 2 ( p 和p 。分别为孔材料的密度和组成孔结构的固体 材料密度，t 和1 分别为正方体棱的厚度和长度) 。可以得到开孔泡沫材料的弹性模量p 与其固体材 料的弹性模量& 之比。 = c j c 口，) 2 图2 1g i b s o n a s b y 模型 ( 2 一】) 当应变较大时( 如超过5 或某个更小的值) 时泡沫材料不荐保持线弹性。对于密度较高的 8 墨三童塑蓬叁墨塑型垄兰堡堕竺茎垄垦望一 弹塑性泡沫，由于棱杆较厚，在发生可能的屈曲之前材料已经进入塑性于是其失效主要由某种塑 性坍塌机构所控制。这时，塑性极# 良载荷与基体材料的屈服应力有关，开孔泡沫的极限载荷盯；可表 示为： a z ：c ，p 3 2 ( 当p - - 0 3 啪 ( 2 2 ) 其中c i ，c 2 ，c 3 为常数，d 。为金属泡沫材料的屈服应力。通过和大量实验数据比较得出c l 。l c 2 o 3 ，c ，o 2 31 3 6 1 。 从上面分析可得出，相对密度是决定泡沫材料力学性能一个很重要的参数。从图l l 照片上可 看到，材料的微结构和理论分析的开孔微结构( 图2 1 所示) 有明显的差别。实际材料中，胞棱并 不是规则的棱柱，而是无序的固体集合体。而且在这些集合体中还有一些孔洞和大量的裂纹。这些 微结构的缺陷肯定会对材料的力学性能造成影响，所以泡沫材料胞体的几何性质也是很重要的个 因素。研究孔径大小等胞体几何性质对材料性质的影响，对全面了解泡沫材料的力学性能有很重要 的意义。目前的研究能够揭示泡沫金属材料的变形机理并旋现相对密度不是唯一确定材料力学属 性的参数，孔径大小、孔的几何形状、孔的分布等对材料的力学性能也有定的影响。 基于以上讨论，下面几节主要以泡沫铝为例分别从有限元模型、静态力学性能实验研究、动态 力学性能实验研究、微缺陷对力学性能的影响来论述泡沫金属材料的力学性能研究现状，并分析了 泡沫金属材料孔结构力学性能可行性研究方法。 2 2 泡沫金属材料有限元结构模型 2 2 1 开孔泡沫金属材料有限元结构模型 这一节中讨论了几个典型的开孔结构模型，尽管它们与实际相差甚远，但由此推导出的一些结 论却是非常有意义的。 ( 1 ) s t r e t c h i n g c o n t r o l l e do p e nc e l lc u b e p 7 j 这里讨论一个简单的理想模型，尽管这个模型与实际材剁相差甚远，但它能够证明一些其它复 杂模型能证明的结论具有与复杂理想模型相一致的共性。 此模型由3 6 个桁架和1 4 个节点组成，立方体的8 个顶点和六个面的中心为模型节点，1 2 条 棱和六个面的面对角线构成桁架，如图2 - 2 所示。在这个模型中。节点处假设为铰接，这样，便不 会有弯矩的传递并且节点处假设没有体积。尽管这些假设对开孔泡沫金属材料来说是很理想化的 但仍能由它推出诸如相对密度、体积弹性模量、剪切弹性模型等参数。 9 查壹查兰塑圭兰竺兰苎 ( 2 ) l s o t r o p i cs t r e t c h i n gc o n t r o l l e do p e nc e l lm i c r os t r u c t u r e 此模型为各向同性开孔结构，组成它的桁架或直或曲横截面可以是规刘的也可是不规则的， 假设桁架形状相同，但尺寸不同。尽管对于实际的孔结构来说所有的桁架形状不可能相同然而， 对某孔来说，根据这个模型却可选择在某种意义上对此孔结构所有桁架都具有代表性的桁架形状。 这样，便可以建立起各向同性开孔结构的剐度、体积模量和剪切模量。从这个模型还可推导出静力 作用下各节点的位移、应变、各桁架的应变能、平均体积应变以及体积应变能，也可模拟动态场进 而得到动态荷载作用下的体积应变能的变化。 ( 3 ) g i b s o n a s h b y 结构模型 3 6 1 此模型印为图2 - 1 所示的立方体模型，在前面已经讨论过这里不再论述。 ( 4 ) 正四面体结构模型 3 8 - 3 9 1 w a r r a n t 和k r a y n i k 在1 9 9 7 年提出了一种三维开孔结构模型，此模型的平面结构与二维蜂窝结 构相似，如图2 - 3 所示。模型为三维对称结构，将孔结构的胞壁做为梁。当承受膨胀变形时，孔壁， 即模型的桁架仅仅表现为伸展，在偏移下桁架变形表现为弯曲和扭转。由它能够推出体积模量和剪 切模量分别与相对密度的关系。 此结构孔的失效机理较简单，根据对变形过程的观察可将一正四面体作为开孔泡沫金属材料 的基本单元，如图2 - 4 所示。四个相邻的孔由四根粱相连这四根梁的末端交于一刚结点，每根粱 都受与其相邻的三个孔的约束这样便产生了一理想的三角形截面。各四面体周期性排列形成一截 面为正六边形的空间棱柱组成的孔结构。这显然是理想化的，但对于研究开孔结构基本的荷载响应 来说还是可以的。 0 第二章泡沫金属材料力学性能研究及展望 图2 3 二维蜂窝结构模型 图2 4 正四面体结构模型 2 - 2 2 闭孔泡沫金属材料有限元结构模型 桁架 。羹竺望! 压塑差耋搴垩圭翌竺望的刚度有影响，对闭孔结构影响更大。在准静态、静水压力和 尘詈妾竺李三二兰竺堂垩! 堡譬蝥篓量增加，这个增量可由变形前孔结构的元；蒹童另豢蔫：。； 面讨论的4 种模型都考虑了这个影响因素。 。一 查堕奎兰壁兰些堡苎一 ( 1 ) m u l t i d i s p e r s eh o l l o ws p h e r e s m o d e l h a s h i n 在1 9 6 2 年介绍了一种复合球模型，如图2 5 所示。它由许多中空的、具有相同孔壁厚与 孔径比，但不同尺寸的球壳组成。此结构为各向同性，体积模量和剪切模量都可推导得出。 ( 2 ) s t r e t c h i n gc o n t r o l l e dc l o s e dc e l lb o x m o d e 这个闭孔结构模型更加简单，如图2 - 6 所示，它由三片相同的板组成每片板与对应三个卡氏 坐标轴之一平行，也就是说这些板恰好组成一立方体格子。m a t o n i s 在1 9 6 4 年计算泡沫材料极限应 力时采用的是此模型。因为模型的几何结构比较简单，所以它更适合于分析微缺陷，如孔壁的褶皱、 断裂等对孔结构性能的影响。 ( 3 ) a n a l y t i cm o n o d i s p e r s ec l o s e dc e l ls i m p l ec u b i ch o l l o ws p h e r e sm o d e l 这个模型如图2 7 所示，由相同球壳周期排列构成，各球之间互相接触，排列方向与卡氏坐标 轴平行，这种布置仍为各向异性。此球壳壁很薄，球与球之间的接触面积小。当承受平行于坐标轴 方向的力时，球的变形从本质上来说应该体现在局部范围内。变形用板壳理论即可得到比较满意的 结果。当结构承受剪切变形时，仅用壳体理论不能得到足够的结果，但其伸展模量( 杨氏模型的梯 度) 和体积模量的关系仍能得到。随着压力的变化，球之间的接触面积也发生变化，体积模量不再 只与相对密度、杨氏模量和泊松比有关，还随接触面积的变化而变化。 ( 4 ) f e m m o d e lo f c l o s e dc e l ls i m p l ec u b i c ( s c 、a r r a yo f s p h e r e s w i t h f l a t c o n t a c t p o i n t s 如图2 - 8 所示，模型由薄壁壳组成，壳之间为面接触。设r 为壳半径，r 为两壳之问接触面长度 的一半，三= 2 r 2 一r2 。给定这些尺寸，便完全可以用有限元方法模拟计算其应力、应变、弹性 模量、体积模量和翦切模量。 1 2 意 图 第二章泡沫金属材料力学性能研究及展望 此结构中，两个孔单元接触部分处的孔壁厚度平均分配给每个单元，这样，所有孔壁厚度都相 同，单元便具有周期性和几何对称性了。在计算时，便可利用对称性取此结构的1 8 来计算，这便 简化了计算。 图2 6b o xm o d e c o n s i s t i n go ff l a t d f a t e s 嘉耄 聪胤， 害摹j 黼l 亡2 = = 、壬乡亡二 图27s c h e m a t ico f s i m p l ec u b i c a r r a n g e m e n t o fi d e n t i c a l s p h e r i c a ls h e l lr 查塑拦型型丝生一 一一一，x 一 ，y p f 、 h 图2 - 8m o d e lc o n s i s t i n go fas i m p l e c u b i ca r r a y o fs p h e r i c a lh o l l o ws h e l l s 2 3 泡沫铝静态力学性能实验研究 孔结构的存在，使泡沫金属材料比普通金属材料具有更加优异的力学性能。如在尽可能小的质 量下，具有较高的单位抗弯刚度，即e l p2 高( e 为材料的弹性模量，p 为材料的密度) 。根据实验 结果可知泡沫铝的弹性模量e 与其密度p 呈1 6 的指数关系”。因此可通过改变密度p 来调节弹性模 量。山东工程学院实验测得泡沫铝抗压强度在平均孔径相同的情况下随密度的增加呈直线增加，这 与日本的福岛正治等推导出的经验公式：仃= a p b ( a 、b 为正常数，p 为密度) 是一致的但 数量级不同1 。 2 3 1 泡沫铝单向压缩行为”6 “1 3 压缩是基本的力学性能实验，也是泡沫金属材料构件使用时的主要受力状态。泡沫金属材料有 较高的抗压强度，依据基体材料和相对密度的不同，一般从几个兆帕到几十兆帕。这里主要介绍泡 沫金属材料轴向压缩下的应力应变特征。 开孔泡沫铝轴向压缩应力一应变曲线，如图2 - 9 所示，基本上分为三个阶段。第一一阶段：弹性阶 段，这个阶段很短，应力一般可达到2 5 m p ，应变只有o 2 。此阶段泡沫铝处于线弹性范围，胞壁 经受弹性变形，主要反映了孔结构的强度特性。第二阶段：塑性平台阶段，这个阶段跨度很大，应 力几乎不变，应变可达到5 0 以上。随着应变的增大，荷载上升的很缓慢，这个过程主要反映了孔 结构被压埒屈服的过程。从孔的失效过程来看：首先个别孔壁被压垮；接着，其所在层面上的其余 1 4 第二章泡沫金属材料力学性能研究及展望 胞壁产生应力集中导致整层胞孔被压垮。这样沿着与加载方向垂直的面形成一变形带，而变形 带之外的孔壁仍处于弹性阶段。第三阶段：密实阶段，这个阶段试样中孔全部被压垮，导致应力急 剧增加，表现为应力随应变增大迅速上升，反映了泡沫金属材料被压实后的变形过程。即重复第二 阶段的过程，