金属泡沫夹芯复合材料及结构的破坏机理和增韧研究

采用理论分析、数值仿真和实验观测与验证相结合的方法，对金属泡沫夹芯复合材料的破坏和界面增韧机理开展跨尺度的研究。其中包括：1.通过细观实验观测，建立起考虑细观随机特性的金属泡沫的本构模型，研究其细观非均匀性对其损伤演化的影响；采用宏观实验手段观察在压缩载荷下复合材料夹芯梁的破坏模式和过程，建立相应的破坏准则。2.发展非线性扩展有限元方法，研究夹芯梁面/芯界面裂纹的起裂、扩展及面板分层失稳过程，系统地研究材料/结构几何和物理参数对夹芯梁的破坏模式和承载能力的影响。3.提出夹芯复合材料界面增韧机制，基于实验研究，建立含界面增韧材料的跨尺度力学分析模型和方法，讨论界面微结构特征（几何和物理）对增韧后界面破坏过程和能量耗散能力的影响，为夹芯复合材料的强、韧化设计提供力学依据。该课题是一项具有挑战性的基础研究工作，其研究成果将促进我国夹芯复合材料的应用和发展，具有重要的理论意义和工程价值。

夹芯复合材料/结构具有优良的力学性能和特殊的功能性，在航空航天、交通运输和土木工程等领域得到广泛的应用。然而，由于面板和芯体性能有很大差异，极易造成性能较弱的界面附近存在应力集中现象，导致结构服役过程中，面板/芯体界面频繁出现损伤和裂纹，影响夹芯材料/结构整体性和力学性能，引发结构过早失效。因此，本项目基于理论分析、数值模拟和实验观测相结合方法，对夹芯复合材料界面破坏行为和增韧机理开展跨尺度研究，取得了主要研究成果为：1.提出了芳纶短纤维薄膜的制备方法，通过扫描电镜等观测，研究芳纶短纤维增韧界面的微观力学行为与增韧机理，解释短纤维增韧对夹芯材料/结构整体结构性能的影响。2.建立了金属泡沫材料随机分布函数表达式，将静水压力的影响引入到连续本构模型，得到了宏观尺度上的泡沫材料本构关系。3.通过三点弯曲、面内压缩等宏观实验验证芳纶短纤维增韧方法的有效性，研究芳纶短纤维增韧对碳纤维夹芯材料/结构界面性能及整体结构性能的影响。4. 考虑短纤维增韧界面张开过程中纤维剥离、纤维拔出和纤维断裂的微观破坏机制，基于破坏机制间的竞争关系和纤维随机分布效应，建立短纤维增韧界面层的微观分析模型。5. 针对碳纤维夹芯材料/结构界面裂纹尖端应力场复杂的情况，基于扩展有限元的概念，建立针对多相材料界面断裂问题的扩展有限元分析模型。6. 基于复合材料失效准则和界面单元，研究了在压缩载荷下复合材料夹芯梁面/芯界面裂纹的起裂、扩展及面板分层失稳过程。7.扩展短纤维增韧的应用范围，研究具有格栅增强的铝蜂窝夹芯结构力学性能及增韧机理。本项目研究成果将为夹芯复合材料的强韧化设计提供分析理论和方法。