自相似层级蜂窝结构在大变形条件下的动力学特性研究

The development of new generation of aerospace equipments, high-tech ships and new energy vehicles proposes higher requirements for the performance index of honeycomb. The introduction of hierarchical characteristics extends the mechanical properties of single-stage honeycomb. However, the coupling effect between the self-similar hierarchical characteristics and its dynamic mechanical properties is not clear. Especially under the large deformation condition, the dynamic response is more sensitive to the change of microstructure and it is more difficult to match the performance of material and structure. Based on micro mechanical response, this project analyses the dynamic behavior under the action of external load, by means of theoretical analysis, numerical simulation and experimental verification. This project is expected to establish the computation model of equivalent elastic modulus, considering the feature of geometrical nonlinearity under large deformation; explore the dynamic evolution process of microstructure and the overall deformation mode of macrostructure; clarify the interaction mechanism among the number of hierarchy orders, structural parameters and the dynamic response of different self-similar forms; establish a micro mechanical model to describe the micro deformation mechanism under out-of-plane large deformation condition; and reveal the influence of microstructure parameters on the axial compressive behavior. The research results provide theoretical and experimental support for the study of mechanical properties of complex honeycomb structures. At the same time, it has an engineering application value to promote the design and development of hierarchical cellular structures.

新一代航空航天装备、高技术船舶、新能源汽车等领域的发展对蜂窝性能指标提出了更高的要求。层级特性的引入延拓了单级蜂窝的力学性能，但自相似层级特性对其动力学性能的耦合影响规律尚不明确。尤其是在大变形条件下，动态响应对微结构的变化更加敏感，材料与结构匹配的性能设计更加困难。本项目采用理论研究、数值仿真和试验验证相结合的手段，从胞元微观力学响应出发，深入分析自相似层级蜂窝结构在外部载荷作用下发生大变形时的动力学行为。项目预期将提出考虑大变形过程中几何非线性特点的等效弹性模量计算方法；探索面内冲击下微结构动态演化过程及宏观结构整体变形模式，阐明层级蜂窝微结构尺寸与动力学响应间的相互作用机制；建立反映面外大变形作用下细观变形机制的微观力学模型，揭示微结构参数与面外压缩性能的耦合影响规律。研究成果为复杂蜂窝结构动力学性能研究提供理论与试验支持，同时对促进层级多胞结构的设计开发具有重要的工程应用价值。

层级特性的引入延拓了单级蜂窝的力学性能，但自相似层级特性对其动力学性能的耦合影响规律尚不明确。申请者采用理论研究、数值仿真和试验验证相结合的手段，开展顶点替换式、蜘蛛网式、引入Sierpinski特性式、仿荷叶脉络分枝特性式等自相似层级蜂窝结构在大变形条件下的动力学特性研究。主要成果如下：(1) 适当增加顶点替换式层级蜂窝的结构参数有利于其在面内载荷下形成局部“I”形变形带，进而提高吸能能力。根据变形模式分类图中获得变形模式转换临界速度。在冲击速度不确定的情况下，当分层结构参数为0.3～0.4时，分层蜂窝具有较优越的吸能性能。通过对大量实验结果的观察和分析，证明了分层结构参数和冲击速度同时影响致密化应变。采用最小二乘法拟合得到了不同变形模式下层级蜂窝结构动态致密化应变的经验公式。(2) 通过适当调整蜘蛛网式层级蜂窝结构参数，可以有效地控制其能量吸收能力。一阶层级蜂窝和二阶层级蜂窝的单位质量比能量吸收分别提高了62.1%和82.4%。同时，蜘蛛网层级特性对相应峰值压力影响较小。基于简化超折叠单元（SSFE）方法推导出其轴向压缩力的理论计算模型。(3) 引入Sierpinski特性的层级蜂窝变形模式为轴对称渐进屈曲模式，胞壁弯曲过程的半折叠波长减小，促使压缩过程中形成更多的塑性折叠单元，有利于提高其能量吸收能力。进一步基于能量守恒理论和塑性铰理论建立了其塑性屈曲理论模型，并将其与仿真结果对比验证理论公式的正确性。在相同的相对密度下，一阶、二阶及三阶层级多胞管的动态压缩应力较普通三角形薄壁管增加了85.8%、138.2%和183.8%。(4) 荷叶叶脉分枝特征的引入影响了层级蜂窝的局部变形区，归纳出其变形模式分类图。揭示了微结构参数与其面外压缩性能的耦合影响规律。其准静态平台应力取决于单胞构型。基于一维冲击理论，建立其动态平台应力的经验公式。本项目研究成果表明将层级特性引入到蜂窝结构的设计中，能够有效提高蜂窝结构的力学性能，为新型吸能元件的研究和设计提供了参考。