泡沫金属冲击响应的率敏感效应和微结构效应

快速运载交通工具和军事防御工程都对冲击吸能提出了更高的要求，泡沫金属作为新型高性能吸能材料，其在强动载荷作用下的动力学响应及其微观变形机理已成为迫切需要解决的关键问题。但实验研究对泡沫金属是否存在应变率效应存在一些矛盾的结论，并发现闭孔泡沫金属动态塑性泊松比存在异常行为，因而亟需发展"数值实验"方法。本项目将通过理论分析和数值模拟相结合的方法，发展基于精致的本构关系的冲击波模型和基于Voronoi技术的细观有限元模型等两类泡沫材料动态压溃模型，着重探讨闭孔泡沫金属冲击响应的率敏感效应和微结构效应，揭示微结构动态变形机制和应力波传播机理，并建立胞孔局部应力、应变和应变率的计算方法、泡沫材料率敏感性的分析方法和微结构优化设计方法。该课题的研究将为泡沫材料动态力学分析提供新技术和新方法，为泡沫金属在汽车、高速列车、航空航天、近空间和军事工业等领域的应用提供理论依据和技术支持。

泡沫金属作为新型轻质多胞材料，可用于吸收冲击能量，但关于其动态行为的认识还存在诸多争议。本项目采用理论分析和数值仿真相结合的方法，发展了两类动态压溃模型，深入研究了泡沫金属动态行为的率敏感性机理和细观结构效应，取得了预期的研究成果。.(1) 基于三维Voronoi 技术，建立了闭孔泡沫和开孔泡沫的细观有限元模型；基于局部最优变形梯度张量，发展了多胞材料局部应变场计算方法；通过引入应力均匀性指标和变形局部化指标，量化了三种变形模式之间的两个临界速度。.(2) 基于刚性-线性硬化塑性-锁定的理想体，建立了适用于中等冲击速度的转变模式模型和适用于较高冲击速度的冲击模式模型；基于刚性-任意塑性硬化的理想体，建立了具有统一框架的一维塑性冲击波模型，并应用于刚性-幂次硬化的泡沫材料；针对直接冲击和反式冲击等冲击情形，获得了（半）显式的解析解，并与实验和数值模拟结果进行了比较。.(3) 通过细观有限元模拟，计算了泡沫金属的动态泊松比，解释了前期的实验现象；结合细观有限元模型和冲击波模型，发现了一种多胞材料特有的率敏感性行为，即动态应力-应变状态偏离准静态应力-应变曲线，并揭示了其机理是细观变形模式对加载速率的依赖性。.(4) 基于细观有限元模型，探讨了胞元不规则性、随机壁厚分布、相对密度和基体材料性质等对变形模式、临界速度和平台应力等的影响，提出了梯度多胞材料和多胞包层结构等轻质耐撞性结构的优化设计方法。.本课题的研究为泡沫材料动态力学分析提供了新技术和新方法，并为泡沫金属在汽车、高速列车、航空航天、近空间和军事工业等领域的应用提供了理论依据和技术支持。