泡沫鋁的案例
基于COMSOL的三明治復合結構泡沫鋁隔聲性能研究
摘 要：泡沫鋁夾層結構因其優良的物理性能被廣泛應用于汽車工業領域，為研究不同材料組合對三明治復合結構泡沫鋁隔聲性能的影響，利用COMSOL有限元軟件對純泡沫鋁和三種常見三明治復合結構泡沫鋁三維幾何模型進行建模，并對其傳遞損失進行了數值仿真計算。分析了不同材料組合對三明治復合結構泡沫鋁隔聲性能的影響。結果表明：(1)三明治復合結構泡沫鋁的隔聲性能要優于純泡沫鋁，尤其在高頻段(2)三明治復合結構泡沫鋁傳遞損失存在周期性規律，即傳遞損失在低頻段先增后減、中頻段先減后增、高頻段逐漸增大的趨勢。
關鍵詞：COMSOL;復合結構;泡沫鋁;傳遞損失;
泡沫鋁是一種輕質多孔金屬材料，在其鋁基體中含有不計其數的氣泡[1],且同時呈現出金屬相氣泡特征，是一種應用前景十分廣闊的物理功能性材料。由于泡沫鋁具有輕質、高比剛度、高比強度、吸聲隔熱、阻尼減震、電池屏蔽等特點，在航空航天、高速芯片，建筑材料中均有十分重要的應用。由于具有優良的物理性能，近些年泡沫鋁材料又逐漸進入汽車應用領域。泡沫鋁經典應用之一就是泡沫鋁夾層結構[2],由于綜合了泡沫鋁和金屬板件的性能，這種結構強度較好，得到了廣泛的應用。但隨著汽車技術的不斷發展，在整個汽車新產品開發或選購的過程中，人們對于乘坐過程中的舒適性有了更高的要求。徐平等[3]通過有限元仿真方法研究了泡沫鋁復合結構救生艙的隔聲性能；唐振正和崔承勛[4]研究了不同復合板密度和厚度對其復合結構的隔聲性能影響；梁李斯等[5]研究了打孔泡沫鋁和打孔鋁板組成的復合結構的吸聲性能。可見近年來關于分析泡沫鋁三明治復合結構聲學性能方面的研究較少，比如將泡沫鋁和鋁合金或碳纖維復合材料等結合，可以一定程度上加強泡沫鋁和其他材料之間的結合力，強化各材料的性能特點。
展開 材質 | 關于泡沫鋁
產業的發展離不開CMF（色彩、材料、工藝）
泡沫鋁，又叫發泡鋁，從名字上來看，是由分布著氣泡的鋁金屬結構構成的，整體非常的蓬松。材料本身擁有質輕、吸音等天然的特性，也可以做成非常豐富的色彩及透光效果。本文筆者用通俗易懂的語言及圖片來詳細介紹一下這種材料及產品，看看未來能不能跨界應用在您所從事的產品領域中。主要內容包括：
一、什么是泡沫鋁及其制備方法？
二、性能特點有哪些？
三、國內泡沫鋁部分生產企業介紹
四、主要應用領域及設計案例欣賞
圖 泡沫鋁制成、Michael Young設計
一、什么是泡沫鋁及其制備方法
泡沫鋁，通俗來講，就是將鋁金屬材料進行發泡處理，形成分布有大量氣泡的微觀金屬孔隙結構。其獨特魅力在于，材料在不同產品應用領域及對應的不同性能需求，可以通過改變材料本身的密度和孔結構來設計實現。
圖 泡沫鋁及結構特點
泡沫鋁的制備方法多種多樣，主要有固態金屬燒結、液態金屬凝固及金屬沉積法等，詳情可見下圖：
泡沫鋁可以說是一種新型的功能性結構材料，潛力巨大，目前歐美、日韓等國家都在大力研發，并已經形成產業化生產，國內也有數十個科研單位在研究，目前制約發展的主要因素有成本、性能穩定性及設計精密度等。泡沫鋁可以說在諸多行業都有著廣闊的應用前景，是材料領域的“黑科技”。
圖 不同孔徑大小的泡沫鋁材料剖面
二、性能特點有哪些？
展開 ABAQUS泡沫金屬泡沫鋁泡沫鎳多孔結構
泡沫金屬，又稱為多孔金屬，常見的類型有泡沫鋁、泡沫鎳、泡沫鈦等，是一種具有三維連通孔隙結構的新型工程材料。它結合了金屬和泡沫材料的優點，擁有獨特的物理、力學性能，廣泛應用于多個領域。本案例介紹在ABAQUS內建立具備連通孔隙結構的三維泡沫金屬結構模型。
泡沫金屬通過CAD球體密堆積3D插件V2.0版本建立，其中的球體最小間距參數應設置為負數，以確保生成的模型中的孔隙具備連通性。
為達到泡沫金屬孔隙穿過邊界的效果，需要截取模型的內部區域。刪除所有紅色球體，在模型內部新建一個長方體部件，并用交集建立新模型。
將模型導出為sat文件，即可導入ABAQUS內建立連通孔隙的泡沫金屬部件。
可對金屬泡沫模型劃分網格及進行后續模擬。
展開 鋁泡沫填充薄壁結構耐撞可靠性優化設計
泡沫填充薄壁結構能有效地改善汽車薄壁吸能部件的耐撞性。為設計更輕與更有效的吸能結構并滿足汽車安全性設計要求提出一種新穎的輕質鋁泡沫填充雙管薄壁結構并對其耐撞性展開確定性最優化設計。但是由于薄壁結構的厚度、屈服強度以及鋁泡沫的密度等設計參數易受到仿真以及制造誤差等不確定性因素的影響導致確定性最優解收斂于約束邊界從而丟失了應有的使用可靠性要求。因此提出基于Kriging近似模型與一階可靠性分析方法的鋁泡沫填充結構可靠性最優設計方法并進一步開展基于參數不確定性的鋁泡沫填充結構的耐撞性可靠性優化設計研究。優化結果顯示可靠性最優解不僅遠離約束邊界而且較好地滿足了鋁泡沫填充結構的安全性與可靠性設計要求。
鋁泡沫填充薄壁結構耐撞可靠性優化設計.pdf
展開 
COMSOL多孔金屬結構泡沫鋁泡沫鎳連通孔模型
泡沫金屬，亦稱多孔金屬，涵蓋了如泡沫鋁、泡沫鎳及泡沫鈦等多種類型，是一種具備三維連通孔隙結構的先進工程材料。該材料融合了金屬與泡沫材料的特性優勢，形成了獨特的物理和力學性能，因而被廣泛應用于眾多領域。本案例旨在描述如何在COMSOL軟件中構建具有連通孔隙結構特征的三維泡沫金屬模型。
泡沫金屬的建?？赏ㄟ^CAD球體密堆積3D插件V2.0版本實現，其中為確保生成模型中孔隙的連通性，球體間的最小間距參數應設定為負值。截取模型的內部區域作為泡沫金屬模型。
在AutoCAD中將模型導出為SAT文件格式后，可導入COMSOL軟件中，以建立具有連通孔隙結構的泡沫金屬部件。
根據模擬需求，可對多孔結構部件設定相應的材料屬性。
此外，還需根據模擬要求完成網格劃分，以確保分析的精確性與計算效率。
展開 LS-DYNA中的金屬泡沫材料
一、金屬泡沫材料簡介
目前常用金屬泡沫材料主要為泡沫鋁，國內的主流商業制備方法為發泡法，即在鋁或鋁合金基體中增加發泡劑，通過控制壓力來完成發泡。本文即以泡沫鋁為例進行討論。
泡沫鋁的力學性能受基體材料力學性能和細觀拓撲結構兩方面的影響，因此不同廠家生產的泡沫鋁即使相對密度相近，力學性能也各不相同?？梢酝ㄟ^單軸壓縮實驗獲取特定泡沫鋁的宏觀力學性能。
下圖為典型的泡沫鋁壓縮應力應變曲線，其中主要分為彈性段，平臺段和密實段。長長的平臺段是這種材料的特點，也是其吸能的主要階段。
此外，彈性段只是近似彈性段，同時其斜率一般小于真實的泡沫鋁彈性模量。要獲得泡沫鋁的彈性模量，需在泡沫鋁壓縮應變在5%之內時進行卸載，卸載曲線的斜率即為彈性模量，如下圖所示。
泡沫鋁的平臺應力和密實應變的近似值可以通過應力應變曲線讀出來，也可以通過多軸實驗測得，也可以使用如下經驗公式：
其中，sigma（pl）為平臺應力；sigma（y，s）為基體屈服強度；rho為泡沫鋁密度；rho（s）為基體密度；m為系數，一般為1.5-2.0；epsilon（D）為密實應變；alpha為系數，一般為1.4-2.0。
二、有限元中的金屬泡沫模型
在有限元數值模擬中，最早出現的金屬泡沫模型為宏觀等效模型，即假設泡沫為各向同性均勻材料，通過賦予其泡沫鋁宏觀力學性能來對其進行模擬。目前LS-DYNA中的所有泡沫模型均為宏觀等效模型。
除了宏觀等效模型之外，還有細觀泡沫模型。此類模型中的泡沫胞孔由規則化幾何體或不規則幾何體表征，只需要輸入基體材料的力學參數，就可以描述細觀結構的變形行為，主要有kelvin模型，Voronoi模型，CT掃描模型等。
展開 LS-DYNA中的金屬泡沫材料 附LS-DYNA中文教程下載
一、金屬泡沫材料簡介
目前常用金屬泡沫材料主要為泡沫鋁，國內的主流商業制備方法為發泡法，即在鋁或鋁合金基體中增加發泡劑，通過控制壓力來完成發泡。本文即以泡沫鋁為例進行討論。
泡沫鋁的力學性能受基體材料力學性能和細觀拓撲結構兩方面的影響，因此不同廠家生產的泡沫鋁即使相對密度相近，力學性能也各不相同。可以通過單軸壓縮實驗獲取特定泡沫鋁的宏觀力學性能。
下圖為典型的泡沫鋁壓縮應力應變曲線，其中主要分為彈性段，平臺段和密實段。長長的平臺段是這種材料的特點，也是其吸能的主要階段。
此外，彈性段只是近似彈性段，同時其斜率一般小于真實的泡沫鋁彈性模量。要獲得泡沫鋁的彈性模量，需在泡沫鋁壓縮應變在5%之內時進行卸載，卸載曲線的斜率即為彈性模量，如下圖所示。
泡沫鋁的平臺應力和密實應變的近似值可以通過應力應變曲線讀出來，也可以通過多軸實驗測得，也可以使用如下經驗公式：
其中，sigma（pl）為平臺應力；sigma（y，s）為基體屈服強度；rho為泡沫鋁密度；rho（s）為基體密度；m為系數，一般為1.5-2.0；epsilon（D）為密實應變；alpha為系數，一般為1.4-2.0。
二、有限元中的金屬泡沫模型
在有限元數值模擬中，最早出現的金屬泡沫模型為宏觀等效模型，即假設泡沫為各向同性均勻材料，通過賦予其泡沫鋁宏觀力學性能來對其進行模擬。目前LS-DYNA中的所有泡沫模型均為宏觀等效模型。
除了宏觀等效模型之外，還有細觀泡沫模型。此類模型中的泡沫胞孔由規則化幾何體或不規則幾何體表征，只需要輸入基體材料的力學參數，就可以描述細觀結構的變形行為，主要有kelvin模型，Voronoi模型，CT掃描模型等。
展開 汽車輕量化材料進程路線及CNF材料技術發展
泡沫鋁夾層結構包括泡沫鋁異型件、泡沫鋁夾層板和泡沫鋁充填結構等。泡沫鋁夾層結構的芯層為泡沫鋁,內外包覆層為鋁板或其他金屬薄板。對于泡沫鋁夾層結構設計的優化涉及兩個主要因素:包覆層的厚度和泡沫鋁芯材的合適密度。
泡沫鋁在汽車上的應用
泡沫鋁材被認為是一種大有前途的未來汽車與其他交通運輸工具的良好材料。泡沫鋁材在汽車制造中的應用多為三明治式的三夾板，即：其芯層為泡沫鋁或泡沫鋁合金，上下層為鋁板或其他金屬薄板。據測算，汽車車身構件約有20％可用泡沫鋁材制造，一輛中型轎車如采用泡沫鋁材制造某些零件可減重27．2kg左右，既可節約能源又可減輕對環境的污染。采用泡沫鋁材結構，可大大簡化結構系統，零部件數至少可減少1／3。
德國科學家系統研究了泡沫零件的生產，他們用鋁粉和鈦氫化物粉末相混合，再將混合物填放到鋼皮制作的模型中，該模型與汽車部件大小一致，然后把這充滿混合物的模型加熱到鋁的熔點，這時氫氣會從鈦氫化物中逸出，從而使熔化的鋁產生泡沫。當此鋼皮模型完全冷卻之后，便形成固體泡沫鋁。具有整塊結構、重量均勻的泡沫鋁在強度上比鋁更高。鋼皮模型也增強了部件的強度，600～700℃的熔點溫度能使泡沫鋁和鋼皮模型實現可靠粘接。
德國卡曼汽車公司用三明治式復合泡沫鋁材制造的吉雅輕便轎車(Ghiaroadster)的頂蓋板的剛度，比原來的鋼構件大7倍左右，而其質量卻比鋼件輕25％。此外，還有更高的吸收沖擊能與聲能的效果。用三明治式泡沫鋁材制造的某些汽車零件的質量，只有原鋼件質量的1／2，而其剛度卻為鋼件的10倍，保溫絕熱性能比鋁高95％。對頻率大于800Hz的噪聲有很強的消聲能力。泡沫鋁材還是一種熱穩定的不可燃的材料，也是一種抗破壞的耐用材料。并可以完全回收與再收利用。
展開 淺談那些年里被COMSOL拿捏過的...
接下來研究的泡沫鋁是通過金屬與氣體的共品凝固產生，其內部儲藏大量氣體和骨架通道，當聲波傳播至材料內部時，由于材料內部具有許多微小間隙和縱橫交錯連續貫通的氣泡，局部共振和摩擦會導致部分聲能轉化為內能從而起到很好的隔音降噪能力。
數
值
建
模
COMSOL
下面基于Ｄｅｌａｎｙ－Ｂａｚｌｅｙ －Ｍｉｋｉ 多孔介質聲學模型，來構建泡沫鋁阻性消聲器的三維幾何模型和聲學模型，運用 ＣＯＭＳＯＬ 有限元軟件計算原泡沫鋁阻性消聲器的傳遞損失。
幾何建模
首先利用COMSOL有限元軟件對泡沫鋁阻性消聲器進行了三維幾何建模，其中穿孔管位于膨脹腔內部并于進出口兩端相連。
圖1 泡沫鋁阻性消聲器三維幾何模型
圖2 泡沫鋁阻性消聲器內部穿孔管
控制方程
泡沫鋁阻性消聲器內部存在兩種介質：空氣和泡沫鋁吸聲材料。對于均質吸聲材料中的聲波，需要在理想靜態氣體聲波方程的基礎上進行修改以考慮孔隙率、流阻率和結構因子的影響。得到的修正聲波方程如下所示：
邊界條件
在傳遞損失的計算中主要需要用到的幾種邊界條件如下所示：
1. 硬聲場邊界，適用于聲場的固定邊界與對稱邊界。
2. 平面波輻射邊界，適用于消聲器的進出口邊界。
給定入射聲壓 ｐｉ時有：
3. 內部多孔管邊界，適用于消聲器的穿孔區域。
展開 空中爆載荷作用下復合材料泡沫夾芯板結構抗爆性能分析
空中爆炸載荷特點：
CONWEP算法模擬爆炸載荷作用時考慮了入射壓力和反射壓力的影響，通過炸點與目標作用面間的相對位置、入射角度計算作用在結構上的爆炸載荷值，其將爆炸載荷定義為：
2.2 有限元模型
物理模型：
有限元模型：
(1)模型尺寸描述：
長：0.5m,寬：0.5m,面板厚度：2mm,芯層厚度：50mm
網格尺寸：5mm
網格單元數：12萬
(2)下面板（迎爆面）：Q235鋼
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
(3)下面板（背爆面）：Q235鋼
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
(4)夾芯層：泡沫鋁的性能與金屬基體材料的性能密切相關，本文數值模擬中泡沫鋁基體材料均采用常見的ZL101A鋁合金。由于該合金中存在大量Al-Si共晶體而具有很好的流動性和鑄造性能，因此適合制備泡沫鋁。泡沫鋁基體材料的本構選擇理想彈塑性模型， Cowper -Symonds模型來描述基體材料的應變率效應，表達式為：
鋁合金密度ρ=2.68g/cm3，彈性模量E=70Gpa，泊松比ν=0.33，靜態屈服應力=160MPa，應變率相關參數取C=6500/s，P=4，其動態屈服應力隨應變率變化的關系見圖，不考慮材料的失效問題。
展開 金屬頂刊《Acta Materialia》原位觀察泡沫金屬氣泡的形核和生長過程?。ú牧蠈W網）
來源：材料學網
摘 要
泡沫金屬的萌生和生長是一個復雜的動態過程，本質上具有三維和時間依賴性。斷層掃描-或時間分辨斷層掃描-允許我們跟蹤氣體氣泡的成核和生長AlSi8Mg4合金實時發泡。單個氣泡的位置、大小和形狀以1秒的步長確定，空間分辨率為幾米。同時，由Al-Mg相和TiH2粒子，在一系列的3D圖像中被識別。自動定量圖像分析泡沫和產生的階段包括他們的空間相關性允許我們發泡過程分解成兩個不同的步驟，第一個同質由吸附氣體和第一個融化顯微結構的組件和第二個歸因于合金的熔化和隨后的泡沫增長由氫釋放TiH2粒子。研究結果證實了通過調整Al-Mg成分粉的性能，可以改善標準AlSi8Mg4泡沫塑料的性能，對泡沫鋁的后期結構有重要影響。
關鍵詞
泡沫鋁，氣泡形核和生長，多孔材料
泡沫鋁是一種受自然啟發的多孔材料，由分散在固體金屬基質中的氣相組成，由于其獨特的性能，
近100年來一直是研究的主題。其目標是將其應用于輕型建筑等領域。
盡管進行了深入的研究，但一些機理，如氣體成核、膜穩定性、排水和粗化還沒有完全理解。
由于高制造成本和優化結構和性能再現性的需要，還沒有實現商業突破，這使得金屬泡沫成為特殊應用的利基產品。
展開 
2017名人堂作品賞析
名人堂作品賞析：PCKAhttp://www.ansys.com/zh-cn/other/hall-of-fame/archive/2017
對于重量和體積均受限制的航空航天器而言，高效熱傳遞非常關鍵；在這些情況下泡沫鋁可作為理想的解決方案。工程師在ANSYS CFD中對流體動力學和熱傳遞過程進行了建模，從而為代表戰術飛行器熱管理系統的系統級泡沫鋁模型提供非常精確的熱/水力性能預測結果。在成本高昂的試錯制造和測試工作之前建立性能曲線，使得創新型熱交換器的設計成為現實。
ABAQUS基于隨機Voronoi骨架的三維多孔材料泡沫鋁骨小梁模型
基于Voronoi圖的方法通過調整生成點的位置和密度，控制多孔結構的孔隙大小和分布，可用于模擬自然界中的多孔介質，如泡沫金屬、骨小梁等。本案例介紹在ABAQUS內建立三維多孔材料。
首先采用CAD Voronoi 3D插件建立圓柱體試件晶粒模型。
刪掉晶界后，將晶粒進行平滑處理。
新建一個圓柱體，并利用差集建立多孔結構幾何模型。將模型導出為iges格式文件。
在ABAQUS內將模型以部件的形式導入。
可對模型設置材料。
設置載荷及邊界條件。
劃分網格。
7月25日項目派單
【今日推薦-單號4860】
預算范圍：5000
需求描述：需要渦旋盤加工、動力學設計等方向的模型，并整理為期刊論文格式，核心級別
立即搶單
【單號4847】
預算范圍：商議
使用軟件：Abaqus
需求描述：建立泡沫鋁的模型
立即搶單
【單號4830】
預算范圍：1000
使用軟件： flowmaster
需求描述：采用c#語言進行flowmaster減壓閥模型二次開發
立即搶單
【單號4853】
預算范圍：商議
使用軟件：MATLAB進行計算 SolidWorks進行建模
需求描述：螺旋非圓錐齒輪的設計及三維模型的建立，我這里有相關文獻。（附件見鏈接）
立即搶單
【單號4856】
預算范圍：1000，可以視情況商議
使用軟件： Fluent，管流蠟沉積問題數值模擬
需求描述：利用Fluent模擬蠟沉積實驗環道測試段，管線中輸送燃料油在降溫流動過程中發生的蠟沉積現象，得到蠟沉積沿管內壁的厚度分布，沉積層中的含蠟量，出現沉積層后管壁附近溫度場，管內壓力分布信息。具體需要什么參數可聯系我商議，時間價格上面有心里預期，也可以再說，有可以做的大神聯系我
立即搶單
【單號4857】
預算范圍：3000
使用軟件：fluent
需求描述：根據甲方提供文獻編寫uds，并且指導甲方將uds與己方已有的工程整合，計算完成。 甲方單純的流體工程已經計算完成。
立即搶單
看所有項目派單請點我~
展開 Abaqus點陣結構胞元拓撲優化
結構輕量化設計的兩種手段
其中，胞元結構有四種常見的結構形式：蜂窩、開孔泡沫、閉孔泡沫和點陣結構。這幾種結構形式在日常生活中的應用非常多。
胞元結構的四種形式
泡沫鋁的壓縮曲線
胞元結構并不是人類設計師的專利，而是大自然的杰作。
比如，為什么動物的骨骼十分堅硬，但卻比較輕，具有很高的比強度和比剛度？
原來，骨骼的微觀形態具有胞元結構模式，下面是在掃描電子顯微鏡下，人類骨骼呈現出的胞元結構。
人類骨骼微結構
02. 點陣結構
剛才介紹的胞元結構的前三種形式工藝上比較好實現，比如蜂窩紙板的紙芯可以拉伸定型；蜂窩鋁板的鋁芯可以輥壓成型，然后膠合；開、閉孔泡沫結構都有比較成熟的發泡工藝。
而對于點陣結構呢？傳統制造的加工方式不太適用，這個時候就需要全新的增材制造方法-3D打印了。
最近幾年3D打印實在是太火了，現在很多的三維建模軟件的最新版本都增加了點陣結構的建模，甚至是分析。
在進行結構設計時，用戶可以在模型庫里隨意調用常用的點陣結構胞元模式。
常用的點陣結構胞元模式
點陣結構鋁合金的壓縮曲線
點陣結構具有輕質、高強的特點，還能減震、吸能，隔熱、降噪，非常適合模擬人類骨骼，所以醫療上通常用于人造骨骼植入人體。
點陣結構的應用
03. 基于ATOM的胞元拓撲優化
為了獲得某種點陣胞元的具體結構形式，我們可以通過ATOM拓撲優化的方式來實現。
比如，我們期望結構比較抗壓，可以在分析時將載荷考慮為胞元靜水壓力形式的載荷（僅作用于預設的構架連接區域）。
展開 