بررسی رفتار مکانیکی فوم‌های آلومینیومی تحت آزمون تک‌محوری با به‌کارگیری روش شبکه‌بندی ورونویی

فوم‌های آلومینیومی از مصالح نوینی هستند که در اجزاء مختلف، همانند پانل‌های ساندویچی کاربردهای متعددی دارند. این دسته از مواد با توجه به چگالی پایین، وجود حفره‌های ریز، عایق صوتی، و مقاومت در برابر خوردگی، ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارند. در مطالعه‌ی حاضر، روش مبتنی بر شبکه‌بندی ورونوئی برای شبیه‌سازی پیکربندی نانوفوم‌های آلومینیومی پیشنهاد شده است، که قابلیت‌های بالایی در مدل‌سازی ساختارهای متخلخل نامنظم با چگالی‌ها، اندازه‌ی حفره‌ها و ضخامت دیوارهای مختلف به‌صورت پایدار دارند. نتایج حاصل، بیانگر سرعت و توانایی بالای روش ورونوئی برای ایجاد ساختارهای نانوفوم منطبق با تصاویر آزمایشگاهی است. رفتار مکانیکی نمونه‌های نانوفوم آلومینیومی تحت آزمون بارگذاری تک‌محوری با استفاده از روش دینامیک مولکولی و پتانسیل بین‌اتمی e‌a‌m بررسی شده است. در تمامی نمونه‌ها، براساس تئوری همگن‌سازی، شرایط مرزی به‌صورت پریودیک لحاظ و تغییرشکل شبه‌استاتیکی به نمونه اعمال شده است. نتایج بیانگر وابستگی بالای رفتار مکانیکی نانوفوم‌ها به میزان چگالی و تخلخل نمونه‌هاست. همچنین، مقایسه‌ی مدول کشسان نمونه‌ها با نتایج آزمایشگاهی، بیانگر قابلیت بالای روش ورونوئی در ایجاد ساختارهای متخلخل آلومینیومی است.

investigation of mechanical behavior of aluminum foam under uniaxial tests using voronoi tessellation method

aluminum foams are among the materials that have many applications in the construction of various building elements, including sandwich panels. this category of materials has unique features due to low density, the presence of small holes, sound insulation, thermal insulation, and corrosion resistance. in this paper, the voronoi tessellation method is proposed to simulate the porous configuration of aluminum foams, which has the high capability to generate a porous structure with different densities. it is demonstrated that the voronoi tessellation method can generate porous structures with different densities, hole sizes, and wall thicknesses stably. moreover, the voronoi tessellation method has a high speed and can be used to construct different sizes of aluminum foams. a comparison of the configurations obtained from the voronoi tessellation method and experimental tests demonstrates the capability and competence of this method in generating the porous structure of the aluminum foam. in order to investigate the mechanical behavior numerically, the uniaxial tension test is applied to the aluminum nanofoams using the molecular dynamics (md) method. the md analysis is performed in the lammps open-access software using the embedded-atom model (eam) interatomic potential. the periodic boundary condition is imposed in all the boundaries of the atomistic model to satisfy the essential condition of the representative volume element (rve) based on the homogenization theory. after minimization and relaxation of rve, the uniaxial tension test is applied in an increment manner to reduce the strain rate effect. the evolution of the stress-strain curve, along with the stress contours, are presented for the aluminum nanofoam during the uniaxial tension test. young’s modulus of nanofoam obtained by numerical analysis is compared to that of experimental data to confirm the accuracy of the computational modeling. moreover, the results emphasize the high dependence of the mechanical behavior of aluminum nanofoams on the density and porosity.