Macroscopic modeling of open-cell foams : an order parameter approach

Abstract

Metallic foams are an advanced material which becomes more and more attractive due to the unique combination of the mechanical properties they provide, such as high stiffness, low weight, good damping, and energy absorption properties. The microstructure defines significantly the mechanical response of the foam material on the macroscopic level. In the present work, the order parameter approach is used to model the macroscopic behavior of open-cell foams. For this purpose an additional field linked to the foam microstructure and governed by the general equilibrium relationship is introduced. The application of the order parameter model is examined as an alternative to micropolar continuum model regarding the size effect modeling. Furthermore, a topologically motivated order parameter damage evolution model is presented. The comparison with the results of a field experiment proves the flexibility of the proposed damage formulation. The capability of the model regarding the prediction of the size effect is demonstrated using the standard benchmarks.

Metallschäume sind ein Beispiel für ein modernes Material, dessen Bedeutung als Werkstoff stetig zunimmt. Dies ist auf die einzigartige Kombination mechanischer und physikalischer Eigenschaften, wie z. B. hohe Steifigkeit, leichtes Gewicht, hohe Dämpfungseigenschaft und Energieabsorption, zurückzuführen. Die makroskopischen mechanischen Materialeigenschaften der Schaumstoffe sind maßgebich durch ihre Mikrostruktur bestimmt. In der vorliegenden Arbeit wird das makroskopische Materialverhalten der offenporigen Schäume mithilfe eines Ordnungsparameter-Modells beschrieben. Hierfür wird auf der Basis der allgemeinen Bilanzgleichung ein zusätzliches und mit der Mikrostruktur verknüpftes Feld eingeführt. Die Anwendung des Ordnungsparameter-Modells wird als Alternative zum mikropolaren Kontinuum unter dem Aspekt der Beschreibung von Maßstabseffekten untersucht. Als eine weitere Anwendung des Ordnungsparameter-Modells wird die Formulierung eines topologiebasierten Schädigungsmodells vorgestellt. Die Flexibilität des Ordnungsparameter-Schädigungsmodells wird anhand der Gegenberstellung der experimentellen Ergebnisse und der Ergebnisse der numerischen Simulation gezeigt. Die Verwendung des Ordnungsparameter-Modells für die Beschreibung der Maßstabseffekte wird anhand von Standardtests anschaulich demonstriert.