本文由M. Borovinšek和Z. Ren共同撰写，发表于2008年的《Materialwissenschaft und Werkstofftechnik》期刊上。研究的主要目标是开发一种计算模型，用于模拟不规则开孔泡沫材料在冲击载荷下的变形行为和能量吸收能力。该研究通过参数化的计算模拟，结合Voronoi镶嵌技术，研究了开孔泡沫材料的不规则性对其变形行为和能量吸收的影响。

研究背景

泡沫材料是一类重要的工程材料，尤其是金属泡沫材料，因其低密度、良好的机械性能和优异的能量吸收能力，被广泛应用于汽车、航空航天等领域。然而，泡沫材料的微观结构通常是非周期性、非均匀且无序的，这使得传统的基于规则单元的计算模型难以准确预测其力学行为。因此，开发能够反映真实泡沫材料微观结构的计算模型具有重要意义。

研究方法

研究采用了Voronoi镶嵌技术来生成不规则开孔泡沫的三维模型。Voronoi镶嵌是一种基于空间分割的数学方法，通过随机分布的种子点生成凸多面体单元，从而模拟泡沫材料的微观结构。研究中使用了Qhull代码来生成Voronoi网格，并通过引入不规则参数来控制泡沫单元的形状不规则性。为了确保计算模拟的稳定性和准确性，研究还引入了一种网格平滑技术，用于去除过短的单元并优化网格结构。

研究流程

1. 模型生成：使用Voronoi镶嵌技术生成不规则开孔泡沫的三维模型。通过调整不规则参数，生成不同不规则程度的泡沫模型。
2. 网格平滑：对生成的网格进行平滑处理，去除过短的单元，以减少计算时间并提高模拟的稳定性。
3. 数值模拟：使用LS-DYNA动态显式有限元代码进行冲击加载模拟。模拟中考虑了泡沫材料的相对密度和不规则性对变形行为和能量吸收的影响。
4. 结果分析：通过对比不同不规则参数和相对密度下的模拟结果，分析泡沫材料的杨氏模量、应力-应变曲线等力学性能。

主要结果

1. 网格平滑的影响：研究发现，网格平滑技术能够显著减少计算时间，同时保持模拟结果的准确性。平滑后的网格在冲击加载下表现出更高的能量吸收能力。
2. 不规则性的影响：随着泡沫单元形状不规则性的增加，泡沫材料的杨氏模量逐渐降低，而切线模量则有所增加。这表明不规则性会降低泡沫的整体刚度，但增加其局部变形能力。
3. 相对密度的影响：相对密度的增加会显著提高泡沫材料的杨氏模量和应力水平，表明高密度泡沫具有更高的刚度和能量吸收能力。

结论

研究提出了一种基于Voronoi镶嵌技术的开孔泡沫几何建模方法，能够有效控制泡沫单元的形状不规则性。通过数值模拟，研究发现泡沫单元的不规则性和相对密度对其冲击行为有显著影响。不规则性降低了泡沫的整体刚度，但增加了其局部变形能力；而相对密度的增加则提高了泡沫的刚度和能量吸收能力。研究还指出，在高应变压缩条件下，模拟中必须考虑泡沫单元之间的接触效应。

研究亮点

1. 新颖的建模方法：研究采用了Voronoi镶嵌技术生成不规则开孔泡沫的三维模型，能够有效控制泡沫单元的形状不规则性。
2. 网格平滑技术：引入了一种网格平滑算法，显著减少了计算时间并提高了模拟的稳定性。
3. 参数化模拟：通过系统的参数化模拟，揭示了泡沫单元不规则性和相对密度对其冲击行为的复杂影响。

研究意义

该研究为开孔泡沫材料的力学行为提供了新的计算模型，能够更准确地预测其在冲击载荷下的变形和能量吸收能力。研究结果对泡沫材料的设计和优化具有重要的指导意义，尤其是在需要高能量吸收能力的工程应用中。