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Elastische Finite‐Elemente‐Analyse von Querschnitten zufällig angeordneter Hohlkugelstrukturen
Author(s) -
Fiedler T.,
Kim H. S.,
Belova I. V.,
Sloan S. W.,
Murch G. E.,
Öchsner A.
Publication year - 2010
Publication title -
materialwissenschaft und werkstofftechnik
Language(s) - English
Resource type - Journals
SCImago Journal Rank - 0.285
H-Index - 38
eISSN - 1521-4052
pISSN - 0933-5137
DOI - 10.1002/mawe.201000593
Subject(s) - spheres , materials science , porosity , composite material , finite element method , elastic modulus , shear modulus , epoxy , volume fraction , modulus , metal , physics , thermodynamics , metallurgy , astronomy
This paper addresses elastic analysis based on 2D finite element models for metallic hollow‐sphere structures. In the first part, the influence of micro‐porosity on the elastic behaviour of sintered metallic hollow sphere wall material is investigated. Young's modulus of the metallic hollow sphere wall material is found to linearly decrease with increasing micro‐porosity ranging up to about 45%. In the second part, elastic parameters for metallic syntactic foams (MSF) consisting of thin or thick walled hollow spheres, and for epoxy containing spherical pores are studied. Data obtained from finite element models are compared with theoretical predictions based on the rule of mixtures developed elsewhere and found to be in good agreement with each other for MSF but not for porous epoxy. The shear modulus of MSF with thin‐walled hollow spheres was found to increase with increasing volume fraction of matrix whereas that of MSF with thick walled hollow spheres was found to decrease. Specific Young's modulus of MSF with thin‐walled hollow spheres was also found to increase with increasing foam density whereas that of MSF with thick walled hollow spheres was found to decrease. Poisson's ratio obtained was relatively low for porous epoxy matrix material but high for MSF with thin or thick‐walled hollow spheres. Dieser Artikel beschäftigt sich mit der elastischen Finite‐Elemente‐Analyse zwei‐dimensionaler Modelle von Hohlkugelstrukturen. Im ersten Teil der Arbeit wird der Einfluss von Mikroporosität auf das elastische Verhalten der gesinterten Hohlkugelschale untersucht. Es wurde beobachtet, dass der Elastizitätsmodul des gesinterten Materials linear mit steigender Porosität abnimmt. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit Hohlkugelstrukturen bestehend aus Hohlkugeln und Epoxidmatrix verschiedener Wandstärken t : dickwandige Hohlkugeln, dünnwandige Hohlkugeln und dem Grenzfall t → 0 (kugelförmige Einschlüsse ohne Hohlkugelschale). Die Ergebnisse der Finite‐Elemente‐Analyse wurden mit analytischen Modellen verglichen und mit Ausnahme der kugelförmigen Einschlüsse eine gute Übereinstimmung erzielt. Der Schubmodul dünnwandiger Hohlkugelstrukturen nimmt mit zunehmendem Volumenanteil der Epoxidmatrix zu, der Schubmodul von dickwandigen Hohlkugelstrukturen jedoch ab. Die ermittelten Querkontraktionszahlen sind für den Fall kugelförmiger Einschlüsse ( t → 0) vergleichsweise niedrig. Deutlich höhere Ergebnisse wurden für dünn‐ und dickwandige Hohlkugelstrukturen erzielt.