强动载荷下碳纤维增强复合夹芯结构的动力行为及其吸能机理研究

本项目以多孔金属为芯层，纤维增强-金属层合结构为面板构成的复合夹芯结构为主要研究对象，通过实验研究、数值模拟和理论分析，建立和完善纤维增强-金属层合结构及其夹芯结构在强动载荷下的塑性动力响应分析模型，研究夹芯结构典型的动力失效模式及复合结构各组成部分的能量耗散机理和破坏机制，分析不同变形、失效模式下芯层与面板之间的能量耗散分配机理，完善复合夹芯结构抗冲击性能实验测试平台。以抗冲击性能及能量吸收能力为优化目标，对面板的细微观结构参数、复合夹芯结构的几何参数及其力学性能参数进行优化设计，给出典型夹芯结构的最优性能参数及其最佳承载范围和"最优"的拓扑构型，为复合夹芯结构在航空航天等领域的结构优化设计以及抗冲击防护评估等方面提供技术支持。

采用Arcan加载装置对二维及三维多胞材料进行复合加载测试，对其失效和吸能机理进行了详细地分析讨论，得到了材料的实验屈服轨迹并且与现有的理论模型进行了对比分析。将改进的多轴加载装置引入到分离式霍普金森压杆系统中，测试了闭孔泡沫铝在强动载荷下的力学性能，深入分析了其力学性能的率效应以及不同应力状态下的失效机制及对应的吸能机理，发现泡沫金属的吸能机理主要依赖于胞孔的压缩塑性坍塌；并且在实验的基础上提出了一个量化了材料单轴拉压不对称、塑性可压缩性、相对密度、加载速度等因素的宏观唯像屈服准则。同时，利用有限元方法基于剖球模型研究了开孔泡沫材料的动态力学行为，主要分析了开孔泡沫金属在不同冲击速度和相对密度条件下的变形模式。此外，考虑到夹芯壳结构复杂的服役工况，通过模拟的方法研究了夹芯结构在不同侵彻条件下的动力响应及吸能机理。.全面研究了典型二维多胞材料六边形铝蜂窝的尺寸效应，并且基于测试结果找到了能有效表征块体材料力学行为的最小试样尺寸；通过对不同尺寸蜂窝试样变形模式的研究，定性地分析了其力学性能的尺寸相关性；并且进一步通过数学模型进行了定量的验证，发现多胞材料的尺寸效应应当归因于其结构缺陷。