Naslov (srp)

Razvoj i karakterizacija poroznih struktura od aluminijuma

Autor

Sharma, Varun, 1989-

Doprinosi

Živić, Fatima, 1970-
Todorović, Petar, 1969-
Slavković, Vukašin, 1983-
Petković, Dušan, 1982-

Opis (eng)

Metal foams are excellent candidates for multidisciplinary applications, as their physical andmechanical properties make them particularly attractive for the automotive industry. Thisstudy aims to determine the suitability of metal foams by investigating their mechanical andphysical properties. In this project, porous aluminium structures will be designed, developedand characterized. One of the main objectives is to find out how to fabricate porous structureswith improved elastic, plastic and densification regime. Experimental and numericalsimulations have been carried out to determine the deformation mechanism as well as thematerial selection method for structural applications of aluminium-based foams.The first step in the development of metal foam was to use different processing techniques.Several main production technologies have been described, including plastic casting using apolymer or wax precursor, trapped gas expansion, the ALCAN process, and melt gas injection(air bubbling). The melt gas injection method was found to be more effective in producinghomogeneous pore sizes because the process parameters can be easily adjusted. Therefore, thesamples were prepared using the gas blowing method. The results of this method show a foamwith cells of about 1 mm length and a density of 0.6 g/cm3. These specimens were subjectedto a uniaxial compression test at a displacement rate of 0.001 mm/s. The experimental resultsprovide stress and strain values as a function of extension and load, respectively. Theexperimental results show that complete failure of the specimens occurs at a load of 90 KN.The specimens prepared by the gas blowing method showed: an elastic region, a uniformplateau region at about 23 MPa and densification region at about 35 MPa. Duringcompression, a yield or collapse stress was measured at about 20 MPa. Interestingly, thedensification region and the rapid increase in stress started at about 52%.A new model was developed for numerical simulation based on a Voronoi tessellation code togenerate an open-cell porous structure. The developed model was used to study thedeformation mechanism. A uniaxial compression test was performed with a uniformly appliedload of 20 N. The tests were performed on three different specimens with different porosity(30%, 60% and 80%) to study the effect of porosity. The elastic-plastic material model basedon Von Mises yield criterion with perfect plasticity (without strain hardening) was appliedbelow 10% strain. Numerical simulations yielded stress and strain values and interestingly,the results show that specimens with higher porosity exhibited significantly higher normalstresses and larger stress plateaus. Both compressive and tensile stresses increase withincreasing porosity. Similarly, ligaments and struts showed complicated stress fields. Theresults also show that the developed Voronoi-based numerical model are consistent with theexperimental results in the case of quasi-static conditions up to the linear elastic region. Inorder to gain a better understanding, the simulation of the real dynamic behavior under elastic,plastic and compaction conditions for the open cell structure created with the Voronoi codeneeds to be investigated.For closed cell modelling, computer tomography is used to create 3D images of closed cellfoam made of aluminum. The 3D model was developed and used for numerical simulationafter thresholding and identifying the correct images. The mesh was very finely tuned usingsize 10 tetra-node elements. Moreover, elastic and plastic equations with isotropic materialproperties were applied to a nonlinear static test. Numerical simulation was performed underuniaxial compression conditions. During the compression test, a uniform compressive loadwas applied to the top surface of the specimen in the y-direction. The results show that thecomplicated stress fields affect the compressive and tensile stresses. The deformation is alsostrongly influenced by the shear stress. The zone with larger cells diameter exhibitscompressive stresses, while the zone with a maximum number of cells and thin walls exhibitstensile stresses.

Opis (srp)

Metalne pene su dobar izbor za multidisciplinarnu primenu, jer ih njihove fizičke i mehaničkekarakteristike čine posebno atraktivnim za automobilsku industriju. Ova studija ima za cilj dautvrdi pogodnost metalnih pena ispitivanjem njihovih mehaničkih i fizičkih svojstava. Uovom radu su projektovane i razvijene porozne aluminijumske strukture, a nakon toga jerealizovana njihova karakterizacija. Jedan od glavnih ciljeva je odreĎivanje metodologijeproizvodnje poroznih struktura sa poboljšanim elastičnim i plastičnim karakteristikama.Eksperimentalna istraţivanja i numeričke simulacije su realizovane da bi se utvrdiomehanizam deformacije, kao i izbora materijala za primenu pena na bazi aluminijuma.Prvi korak u razvoju metalne pene bio je korišćenje različitih proizvodnih tehnologija.Opisano je nekoliko glavnih proizvodnih tehnologija, uključujući livenje plastike korišćenjemprekursora polimera ili voska, ekspanziju zarobljenog gasa, LC N proces i ubrizgavanjerastopljenog gasa (mehurići vazduha). UtvrĎeno je da je metoda ubrizgavanja rastopljenoggasa efikasnija u proizvodnji homogenih veličina pora jer se parametri procesa mogu lakomenjati. Iz tog razloga su uzorci pripremljeni ovom metodom. Ovom metodom su dobijeniuzorci metalne pene sa porama duţine oko 1 mm i gustine 0,6 g/cm3. Ovi uzorci su ispitivanijednoosnim pritiskivanjem pri brzini pomeranja od 0,001 mm/s. Eksperimentalni rezultatidaju vrednosti napona i deformacije u funkciji zatezanja i opterećenja, respektivno.Eksperimentalni rezultati pokazuju da do potpunog loma uzoraka dolazi pri opterećenju od 90kN. Uzorci pripremljeni metodom uduvavanja gasa pokazali su: elastičnu zonu, zonuuniformnog ponašanja (pri oko 23 MPa) i zonu sabijanja pri oko 35 MPa. Tokom ispitivanjapritiskivanjem odredjen je napon tečenja koji iznosi 20 MPa. Zanimljivo je da su zonasabijanja i brzo povećanje napona počeli od oko 52% deformacije uzorka metalne pene.Razvijen je novi model za numeričku simulaciju zasnovan na Voronoi modelu i kodu(Voronoi Tessellated Model, VTM) za generisanje porozne strukture otvorenih pora.Razvijeni model je korišćen za proučavanje mehanizma deformacije. Ispitivanje jednoosnimpritiskivanjem je izvedeno sa opterećenjem od 20 N. Ispitivanja su izvedena na tri različitauzorka različite poroznosti (30%, 60% i 80%) radi proučavanja uticaja poroznosti. Modelelastično-plastičnog materijala zasnovan na von Mises-ovom kriterijumu tečenja materijala saidealnom plastičnošću (bez deformacionog ojačavanja) primenjen je za deformacije manje od10%. Numeričkim simulacijama su dobijene vrednosti napona i deformacija koje pokazuju dauzorci sa većom poroznošću imaju značajno veću normalnu komponentu napona i širi opsegravni maksimalnog napona. Naponi pri ispitivanju pritiskivanjem i zatezanjem rastu sapovećanjem poroznosti. Slično, strukturni ligamenti porozne strukture (zidovi pora) supokazali komplikovanu raspodelu polja napona. Rezultati dobijeni numeričkim metodama suu skladu sa eksperimentalnim ispitivanjima. Da bi se steklo bolje razumevanje, potrebna sudodatna istraţivanja rezultata dobijenih numeričkim simulacijama stvarnog dinamičkogponašanja u zoni elastičnosti, plastičnosti i u uslovima jednoosnog pritiskivanja za strukturuotvorenih pora kreiranu Voronoi modelom.Za modeliranje zatvorenih pora, korišćene su 3D slike aluminijumskih pena dobijenekompjuterskom tomografijom (CT skeniranje). 3D model je razvijen nakon obrade slikadobijenih sa CT skenera i dalje je primenjen za numeričku simulaciju. Mreţa konačnihelemenata je kreirana korišćenjem tetraedarskih elemenata. Jednačine elasto-plastičnogmodela sa svojstvima izotropnih materijala su korišćene za nelinearnu statičku analizu.Numerička simulacija je realizovana u uslovima jednoosnog pritiskivanja. Tokom testapritiskivanja, opterećenje je zadato na gornjoj strani uzorka u pravcu y-ose. Rezultatipokazuju da kompleksna raspodela polja napona utiče i na napone pri ispitivanju zatezanjem ipritiskivanjem. Na deformaciju takoĎe utiče napon smicanja. Zona sa većim prečnikom poraje podloţnija naponima koji nastaju usled pritiskivanja, dok je zona sa maksimalnim brojempora i tankim zidovima podloţnija naponima koji nastaju prilikom zatezanja...

Opis (srp)

-

Jezik

srpski

Datum

2022

Licenca

Ovo delo je licencirano pod uslovima licence
Creative Commons CC BY-ND 3.0 AT - Creative Commons Autorstvo - Bez prerada Austria License.

http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/at/legalcode