层级梯度金属多孔夹芯结构的抗冲击性能研究

The hierarchical and graded cellular materials with various cell scales and mechanical properties, are desirable for thermal and acoustic insulation, vibration, or shock energy damping and impact resistance, which has broad application prospects in the field of structural and functional integrated design. In this research project, the dynamic responses of metallic sandwich structures with graded hierarchical cellular cores under various loading conditions will be investigated comprehensively by employing the experiments, numerical simulations and theoretical analysis. The deformation failure mechanism maps and energy dissipation will be provided. Effects of the hierarchical and graded properties on the structural deformation and energy absorption will be analyzed. The large deformation analytical mode of the sandwich structures will be established base on the experiments and numerical simulations. Optimized design will be conducted with special energy absorption as the optimization goal. Overall, the study will afford theoretical and technical supports for the applications of sandwich structures in the engineering.

由不同尺度、不同力学特性的胞孔结构所组成的层级和梯度多孔材料具有优异的吸能及抗冲击性能，且兼具隔热、吸声和减震等多功能适应性，在结构和功能一体化设计中具有广阔的应用前景。本项目针对一种层级梯度多孔金属夹芯复合结构，通过系统的实验研究、数值模拟和理论分析对其在不同载荷下的变形失效机理、抗冲击性能和能量吸收机制进行研究。得到冲击和爆炸载荷作用下层级梯度夹芯结构的典型变形失效模式，给出其失效机理图；明确层级特性与梯度特性及其耦合作用对结构变形失效过程和能量耗散的影响；在实验研究和数值模拟的基础上，建立层级梯度夹芯结构的塑性大挠度变形分析模型；以结构单位质量吸能效率为优化目标，对芯层梯度参数和层级参数等进行优化设计。为夹芯复合结构在航空航天、高速轨道交通、国防工程等领域的应用提供技术支持。

本项目针对梯度、层级金属夹芯复合结构及轻质薄壁圆柱壳结构，通过系统的实验、数值模拟和理论分析对其在不同载荷下的变形失效机理、抗冲击性能和能量吸收机制进行研究。从力的传递、冲击波衰减角度分析了梯度结构的防护性能；构建了二阶层级蜂窝有限元模型，研究了其压缩吸能特性和变形模式；建立了圆柱壳表面爆炸载荷时间域和空间域分布函数，获得了横向爆炸载荷下薄壁圆柱壳动力响应的变形模式及其模态解；给出了以不同材料为面板的顶点基层级多孔蜂窝夹芯结构在爆炸载荷下完成的变形模式及其能量耗散分配机制；建立了梯度蜂窝-纤维板夹芯结构塑性动力学分析模型，获得了其典型的变形失效模式与能量分配机制；获得了闭孔泡沫铝在压缩、剪切和弯曲状态下的响应特性，探究了其尺寸效应。为夹芯复合结构在航空航天、高速轨道交通、国防工程等领域的应用提供技术支持。