مدل سازي سه گانه و مطالعه هندسي فوم حفره بسته فلزي با توزيع تصادفي تخلخل

Triple modeling and geometrical study on the closed-cell metal foam with random-distributed pores

فوم هاي فلزي دسته ي جديدي از مواد فلزي با ساختار متخلخل هستند كه به علت بهره مندي از مشخصه هاي جديد مكانيكي، حرارتي، الكتريكي و صوتي نظير چگالي كم و هم زمان سفتي بالا، عايق بودن حرارتي و صوتي مورد توجه قرار گرفته اند. از اين مواد به عنوان لايه هاي مياني پركننده به منظور كاهش وزن سازه ها و نيز جذب و ميراسازي انرژي استفاده مي شود. كاربردهاي متعدد ورق هاي فوم، توسعه روش هايي به منظور مدل سازي هندسي آن را كه قابل استفاده در شبيه سازي عددي رفتار مكانيكي اين دسته از مواد باشد، ضروري مي نمايد. بنابراين، در اين مقاله يك روش مدل سازي نوين به منظور ترسيم هندسي ورق هاي فوم پيشنهاد شده است. اين روش برمبناي ايجاد و تفاضل حفره هاي كروي با ابعاد تصادفي و موقعيت هاي تصادفي در درون ورق است كه نسبت به روش هاي موجود مدل سازي فوم ترسيم نزديك تر به واقعيتي از ورق فوم را ارائه مي دهد. اغلب روش هاي موجود، از تكرار و توزيع يكنواخت سلول واحد استفاده مي كند. در همين راستا، سه الگوريتم تفاضل پيش رونده، تفاضل نموي و تفاضل تصادفي حفره ها معرفي و توسعه يافته است. اعتبار مدل پيشنهادشده به روش هندسي و با مقايسه چهار پارامتر چگالي نسبي، گستره اندازه حفره ها، نحوه توزيع اندازه حفره ها درون ساختار فوم و اندازه ميانگين حفره مورد بررسي قرار گرفته است. صحت سنجي انجام شده تطابق بالاي اين مدل با فوم هاي واقعي را نشان مي دهد. مطالعه هندسي حاضر هم چنين نشان مي دهد كه با افزايش اندازه متوسط حفره ها، چگالي نسبي ورق فوم ابتدا افزايش و سپس، كاهش يافته است.

Metallic foams are a new category of metals with a porous structure which possess new mechanical, thermal, electrical and acoustic properties including low density with simultaneously high stiffness, and acoustic and thermal insulation. These materials are utilized as a sandwich core to decrease the structure total weight and also, energy absorption and damping. Wide range of metallic foam application makes it necessary to develop a modeling method which can be used in the numerical study of the mechanical behavior of these materials. In this regard, a novel geometrical modeling approach is proposed to produce a geometrical model of the foam. This is based on subtracting spherical pores with a random size and random position from the solid sheet which makes a more realistic way of foam sheet modeling. Most of the prior approaches use a repeating unit cell structure. Thus, three algorithms, including progressive subtraction, incremental and random-based subtraction of the pores are presented and developed. The proposed model validation is carried out based on geometrical aspect and with the comparison of four parameters such as relative density, cell size ranges, distribution of cell sizes in the foam structure and mean cell sizes. Results show a close agreement between modeled foams with real ones. Also, geometrical study results that with an increase in the mean cell size, relative density first increases and then decreases.