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作者及发表信息
本研究由Juho T. Siivola、Shu Minakuchi和Nobuo Takeda（均来自东京大学前沿科学研究生院先进能源系）合作完成，发表于期刊Composites Part B（2016年，第84卷，第71–82页），标题为《Unloading response prediction of indentation loaded foam core sandwich structures using extended foam material model with tensile hardening》。
学术背景
研究领域与背景
研究聚焦于复合材料夹层结构（sandwich structures）的力学行为，特别是以聚合物泡沫（polymer foam）为芯材的夹层结构在局部压痕载荷（indentation loading）下的卸载响应预测。这类结构因轻量化、高比强度等特性广泛应用于航空航天领域，但其薄面板和弱芯材在横向载荷下易产生勉强可见冲击损伤（Barely Visible Impact Damage, BVID），导致性能退化且难以检测。
研究动机与目标
现有泡沫材料模型多关注压缩行为，但卸载和拉伸响应的简化导致对残余变形预测不准确。本研究旨在开发一种扩展泡沫材料模型，通过整合压缩后弹性模量退化和拉伸硬化行为，提升对夹层结构压痕卸载后残余状态的预测精度。
研究流程与方法
1. 泡沫材料行为分析与模型构建
- 实验观察：通过单轴压缩-拉伸循环试验（uniaxial compression-tension test）分析PMI泡沫（Rohacell 51 WF）的力学行为，发现：
- 压缩卸载时弹性模量随塑性应变增加而退化；
- 压缩损伤后拉伸响应呈现非线性低应力平台（图1）。
- 模型扩展：基于ABAQUS中的可压碎泡沫模型（crushable foam model），通过用户子程序（VUMAT）引入：
- 卸载模量退化函数（公式7）；
- 压缩损伤后的双线性拉伸硬化曲线（图7）；
- 硬化参数（如
pc和pt）的动态更新（附录A）。
2. 有限元模拟与验证
- 模型设置：建立二维夹层梁有限元模型（图8），对比扩展模型（VUMAT）与原始模型（crushable foam）的预测效果。
- 边界条件：对称约束、刚性支撑、10mm直径压头位移加载（5 mm/min）。
- 材料参数：基于Rohacell 51 WF在常温、高温（80°C）和高湿（95% RH）条件下的实验数据校准（表1–4）。
- 验证实验：
- 泡沫单轴试验：模拟与实验的应力-应变曲线匹配（图10a）；
- 夹层梁压痕试验：测量加载-位移曲线及残余应变分布（光纤传感器嵌入面板，图9）。
3. 多条件性能评估
在常温、高温和高湿三种环境下，对比模拟与实验的：
- 压痕载荷-位移曲线（图12）；
- 最大压痕深度与残余变形（图13）；
- 应变分布（图14–15）。
主要结果
- 模型优势：
- 扩展模型准确预测卸载阶段的非线性响应（图10b），而原始模型因忽略拉伸硬化导致残余应变分布异常（图11b）。
- 在高温/高湿条件下，扩展模型仍保持高精度（图12–15），验证其鲁棒性。
- 压缩损伤影响：
- 压缩塑性应变达5%时，卸载模量降至初始值的30%（图6a）；
- 拉伸屈服应力
st0与压缩历史强相关（公式9）。
- 工程意义：
- 残余应变分布预测误差<10%，优于原始模型（图15），可用于BVID检测。
结论与价值
科学价值
- 提出首个整合压缩损伤依赖性卸载模量和拉伸硬化的泡沫本构模型，填补了现有模型在卸载响应预测的空白。
- 揭示了泡沫微观损伤（细胞壁屈曲、塑性铰形成，图2）与宏观力学行为的关联机制。
应用价值
- 为航空航天夹层结构的损伤容限设计和无损检测提供高精度仿真工具；
- 模型通过ABAQUS VUMAT实现，可直接集成于工业仿真流程。
研究亮点
- 创新方法：首次将压缩损伤后的拉伸硬化行为量化并嵌入本构模型。
- 多物理场验证：涵盖温湿度环境效应，增强模型工程适用性。
- 跨尺度关联：通过微观变形机制（图2）解释宏观力学响应，提升理论深度。
其他有价值内容
- 附录A详细推导了塑性应力更新算法，可供后续研究参考；
- 研究数据已公开（参考文献[43]），支持模型复现与拓展。
（报告字数：约1500字）