2-/3-D Digital Material Representation and Evaluation of Metal Foams

• Autorzy: Yang C , An Y. , Greenfield R. , Hodgson P.

Warianty tytułu

PL

2-/3-D cyfrowa reprezentacja materiału i jej ewaluacja dla pianek metalicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Recently metal foams are becoming popular in engineering application due to their high energy absorption ability and low density, which are being utilised in automotive engineering and aerospace engineering as well as biomedical engineering. As a typical porous or cellular material, from the material design’s point of view, metal foams have typical heterogeneous structures cross length scales, which can be defined by only two phases: matrix material and voids, which is termed as cells or pores . Their structures can be characterised by several main geometric parameters related to the cells, such as size, shape, spatial distribution and arrangement and so on. The digital material representation of metal foams has been employed to represent metal foams accounting for their complex structures. However random distributions of the size and shape of cells in most foam materials make the digital material representation and modelling of such materials very complicated. Furthermore, effects of size and shape of cells on mechanical behaviours of metal foams have been found and investigated numerically and experimentally in authors' previous studies in which the authors have developed a digital framework for the representation, modelling and evaluation of multi-phase materials including metal foams. In this study, the developed digital framework for the representation, modelling and evaluation of microstructured or multi-phase materials has been further developed with a multi-scale sense including both two-/three-dimensional (2-/3-D) finite element modelling to represent metal foams with a certain distribution on cell size and shape, which can be used for digital or virtual testing to determine mechanical properties and behaviours of such foams. A linkage between 2-D and 3-D finite element models has been build up through a comparativeness analysis between them. For validation and verification purpose, the results obtained from these models have been compared with those from experimental work and good agreement has been found which demonstrated the effectiveness of the digital framework developed for metal foams.

PL

Ze względu na ich dużą zdolność do absorpcji energii i niską gęstość pianki metaliczne znajdują ostatnio szerokie zastosowanie w przemysłach samochodowym i lotniczym, a także w bioinżynierii. Jako typowy materiał porowaty lub komórkowy pianki metaliczne mają strukturę niejednorodną, która może być zdefiniowana przez dwie fazy: materiał osnowy i pustki nazywane komórkami lub porami. Struktury komórek są charakteryzowane przez ich główne parametry geometryczne, takie jak rozmiar, kształt, rozkład w przestrzeni i aranżacja. Cyfrowa reprezentacja materiału została wykorzystana do reprezentowania pianek metalicznych z uwzględnieniem ich złożonej struktury. Z drugiej strony nierównomierność rozkładu rozmiaru i kształtu komórek w większości pianek powoduje, że taka cyfrowa reprezentacja i modelowanie stają się bardzo trudne. Wpływ rozmiaru i kształtu komórek na własności mechaniczne pianek metalicznych był badany numerycznie i doświadczalnie we wcześniejszych pracach autorów. W tych pracach opracowana została numeryczna platforma dla reprezentacji, modelowania i oceny wielofazowych materiałów, w tym pianek metalicznych. W niniejszej pracy przedstawiono dalszy rozwój tej platformy. Stworzono wieloskalowe modele 2D i 3D połączone z metodą elementów skończonych (MES) do opisu pianek metalicznych z zadanym rozkładem rozmiaru i kształtu komórek. Ten program może być dalej stosowany do wyznaczania własności mechanicznych oraz do opisu zachowania się pianek metalicznych pod obciążeniem. Połączenie między modelami 2D i 3D MES zostało zbudowane na podstawie analizy podobieństwa między tymi rozwiązaniami. Dla walidacji i weryfikacji modelu porównano otrzymane wyniki z badaniami doświadczalnymi i otrzymano dobrą zgodność, co potwierdziło efektywność cyfrowej platformy dla pianek metalicznych.

Słowa kluczowe

EN

metal foams; mechanical behaviour; digital material representation; finite element modelling; virtual testing and compression

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 13, No. 4
• Strony: 425--435
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys.

Twórcy

autor

Yang C

• School of Computing, Engineering and Mathematics, University of Western Sydney, Penrith, NSW 2751, Australia

autor

An Y.

• Institute for Frontier Materials, Deakin University, Waurn Ponds, VIC 3217, Australia

autor

Greenfield R.

• School of Computing, Engineering and Mathematics, University of Western Sydney, Penrith, NSW 2751, Australia

autor

Hodgson P.

• Institute for Frontier Materials, Deakin University, Waurn Ponds, VIC 3217, Australia

Bibliografia

• An, Y., Yang, C, Hodgson, P.D., Wen, C, 2010, Effect of pore size on mechanical properties of titanium foams, Materials Science Forum, 654-656, 827-830.
• Asgari, A., Yang, C, Hodgson, P.D., Rolfe, B.F., 2009, Modeling of Advanced High Strength Steels with the Realistic Microstructure-Strength Relationships, Computational Materials Science, 45 (4), 860-866.
• Ashby, M.F., Evans, A.G., Fleck, N.A., Gibson, L.J., Hutchinson, J.W., Wadley, H.N.G., 2000, Metal Foams - A Design Guide, Butterworths Heinemann, London, UK.
• Brahme, A., Alvi, M.H., Saylor, D., Fridy, J., Rollett, A.D., 2006, 3D reconstruction of microstructure in a commercial purity aluminum. Scripta Materialia, 55, 75-80.
• Chen, L., K.rill, Cf., 2002, Computer simulation or 3-d grain growth using a phase field model, Acta Materialia, 50, 3057-3073.
• Geuzaine, C, Remade, J.F., 2009, Gmsh: a three-dimensional finite element mesh generator with built-in pre- and post-processing facilities. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 79 (11), 1309-1331.
• Gibson, L.J., 2000, Mechanical behavior of metallic foams, Annual Review of Materials Science, 30, 191-227.
• Groeber, M., 2007, Development of an automated characterization representation framework for the modelling of poly-crystalline materials in 3D, PhD thesis, The Ohio State University, USA.
• Jurczyk, T., Pietrzyk, M., Rauch, L., Madej, L., 2007, Complex modeling platform based on digital material representation, Complex Systems Concurrent Engineering, 403-410.
• Madej, L., Rauch, L., Yang, C, 2009, Strain distribution analysis based on the digital material representation, Archives of Metallurgy and Materials, 54 (3), 499—507.
• Michailidis, N., Stergioudi, F., Omar, H., Papadopoulos, D., Tsipas, D., 2011, Experimental and FEM analysis of the material response of porous metals imposed to mechanical loading, Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, 382,124-131.
• Michailidis, N., Stergioudi, F., Omar, H., Tsipas, D., 2010, FEM modeling of the response of porous Al in compression, Computational Materials Science, 4, 8282-8286.
• Pyrz R.. Bochenek, B., 2004, Reconstruction of random microstructures - a stochastic optimization problem, Computational Materials Science, 31,93-112.
• Riesch-Oppermann, H, Cizelj, L, Kovac, M., Weyer, S.,Frohlich A., 2002, Automatic finite element meshing of planar voronoi tessellations, Engineering Fracture Mechanics, 69,945-958.
• Shea. H., Brinson, L.C., 2006, A numerical investigation of the effect of boundary conditions and representative volume of Materials and Structures, 1(7), 1179-1204.
• Shen, H., Brinson, L.C., 2007, Finite element modeling of porous titanium, International Journal of Solids and Structures, 44, 320-335.
• Shen, H., Oppenheimer, S.M., Dunand, D.C., and Brinson, L.C., 2006, Numerical modeling of pore size and distribution in foamed titanium, Mechanics of Materials, 38, 933-944.
• Yang, C, An, Y., Tort, M., Hodgson, P.D., 2014, Fabrication, modelling and evaluation of microstructured materials in a digital framework, Computational Materials Science, 81,89-97 (in press).