Numerical modelling of polymeric foams: microstructure-mechanical properties interaction

Polymeric foams possess a cellular structure in which a predominant amount of gas is enclosed in a polymer matrix. The combination of pores and polymer matrix gives the material the advantages of light weight, high specific modulus and strength, heat and sound insulation, and energy absorption, making it widely used in construction, packaging, furniture, transportation, and many other fields. The mechanical properties of polymeric foams are strongly determined by the complex structure. At present, research on the compressive characteristics and deformation mechanism of foam materials has progressed to the scale of microstructure, but there is a lack of study on the relationship between the microstructure morphology and deformation mechanisms. Furthermore, due to technical limitations, effective experimental methods for studying the deformation mechanism of foam materials at the microscale are still deficient. The above problems seriously restrict the application and innovative development of foam materials in the field of engineering technology. To efficiently establish finite element models that are highly compatible with the intricate microstructure of open cell polymeric foams, this study carries out simulation and experimental investigations of polyurethane (PU) foams and explores their compression behavior. The X-ray computed tomography (CT) was used to obtain microstructure images of four types of PU open-cell foams with different pore sizes. The 3D finite element model of each type of foam was generated using image data by applying level set method and Delaunay triangulation. The effectiveness and accuracy of this image-based finite element method was validated by conducting uniaxial quasi-static compression tests on PU foams and comparing the experimental results with the simulation results. Deformation features were explored using the 3D reconstructed model and simulation model at different compression stages. Image processing technology was applied to explore the microstructural characteristics of foams; structural parameters such as foam strut length and thickness, strut profile, pore size distribution and structural anisotropy were analyzed, achieving quantitative analysis of foam microstructure at different deformation states. Based on comprehensive consideration of the structural characteristics of different scales within the foam, a reduced order model based on beam elements was created. The stress-strain curves based on the beam model are consistent with the experimental results; yet, with respect to an equivalently accurate solid model, they also greatly improve computational efficiency. The proposed approach proved to be effective to characterize mechanical properties and deformation processes of these cellular materials, serving as a basis for future research and material development.

Le schiume polimeriche possiedono una struttura cellulare in cui una quantità predominante di gas è racchiusa all'interno di una matrice polimerica. La combinazione di pori e matrice conferisce al materiale vantaggi quali leggerezza, elevati moduli e resistenze specifici, isolamento termico e acustico e assorbimento di energia, rendendolo ampiamente utilizzato nell'edilizia, nell'imballaggio, nell'arredamento, nei trasporti e in molti altri settori. Le proprietà meccaniche delle schiume polimeriche sono fortemente determinate dalla loro complessa struttura. Attualmente, la ricerca sulle caratteristiche di compressione e sui meccanismi di deformazione dei materiali espansi è progredita fino alla scala microstrutturale; tuttavia, si riscontra una carenza di studi sulla relazione tra la morfologia della microstruttura e i meccanismi di deformazione stessi. Inoltre, a causa di limitazioni tecniche, i metodi sperimentali efficaci per lo studio della deformazione a livello microscopico risultano ancora insufficienti. Tali problematiche limitano seriamente l'applicazione e lo sviluppo innovativo dei materiali espansi nel campo della tecnologia ingegneristica. Al fine di generare in modo efficiente modelli agli elementi finiti (FEM) altamente compatibili con l'intricata microstruttura delle schiume polimeriche a celle aperte, il presente studio conduce indagini sperimentali e di simulazione su schiume poliuretaniche (PU), esplorandone il comportamento a compressione. La tomografia computerizzata a raggi X (CT) è stata impiegata per acquisire immagini microstrutturali di quattro tipi di schiume di poliuretano (PU) a celle aperte con diverse dimensioni dei pori. Il modello tridimensionale agli elementi finiti di ciascuna tipologia è stato generato a partire dai dati d'immagine, applicando il metodo level set e la triangolazione di Delaunay. L'efficacia e l'accuratezza di questo metodo basato sulle immagini sono state convalidate attraverso prove di compressione uniassiale quasi-statica sulle schiume e confrontando i risultati sperimentali con quelli di simulazione. Le caratteristiche di deformazione sono state analizzate utilizzando il modello ricostruito in 3D e il modello di simulazione in diverse fasi di compressione. Tecniche di elaborazione delle immagini sono state applicate per esaminare le caratteristiche microstrutturali delle schiume; sono stati analizzati parametri strutturali quali la lunghezza e lo spessore delle trabecole, il profilo delle stesse, la distribuzione dimensionale dei pori e l'anisotropia strutturale, ottenendo un'analisi quantitativa della microstruttura in diversi stati di deformazione. Sulla base di una valutazione complessiva delle caratteristiche strutturali alle diverse scale, è stato creato un modello ad ordine ridotto basato su elementi di trave. Le curve di risposta meccanica derivate dal modello a travi sono coerenti con i risultati sperimentali; tuttavia, rispetto a un modello solido di equivalente precisione, esse riducono notevolmente il costo computazionale. L'approccio proposto si è dimostrato efficace nel caratterizzare le proprietà meccaniche e i processi di deformazione di questi materiali cellulari, ponendosi come base per la ricerca futura e lo sviluppo dei materiali.