可调控动力学性能的多孔材料细观变形机理及设计方法研究

Porous material is one of the materials that have typical multi-scale features, and possess the excellent performance in energy absorption capacity. Correspondingly, they are widely used in the fields of automobile, aerospace, military protection and civil engineering, etc., especially for the design of energy absorbing buffer structures. The existence and diversity of meso-structures of porous materials hold great promise for achieving the function-oriented design of materials or multifunctional structures, expanding the properties of materials, broadening the engineering applications and developing constitutive relation of porous materials. However, the quantitative relation between the meso-structural parameters and the dynamic mechanical properties of porous materials is still not well established. And studies of formation and propagation mechanism of shock wave in meso-structural scale are relatively insufficient. This project is prepared to employed numerical simulation, theoretical analysis and experimental research methodologies to investigate the meso-deformation mechanisms of porous materials under dynamic impact, to reveal the propagation of stress wave through materials and the meso-structural effect. Further, the relation between the meso-structural parameters and the dynamic mechanical properties of porous materials is hopeful to be determined. A more reliable shock model that contains meso-structure effect is attempted to be developed. The principle of multi-scale optimization design from meso-scale level to macro-scale level is explored. Herein, the research of this project is of great significance to guide the crashworthiness optimization design of porous materials and composite structures, to speed up the active design of materials and to develop ultra-lightweight porous materials with controllable mechanical properties.

多孔材料是一种典型的细观非均匀性材料，同时也是一种高性能的吸能材料，被广泛应用于汽车、航空航天、军事防护及土木工程等领域，尤其是用于吸能缓冲结构的设计。细观结构的多样性，为实现多孔材料或多功能复合结构的主动设计，延拓材料的性能空间，扩宽材料的应用领域，以及发展多孔材料的本构关系提供了广阔的平台。然而，多孔材料的动态力学性能与细观结构参数之间的定量化关系尚未建立，应力波在细观微结构上的形成机制和传播规律的研究尚显不足。本项目采用数值模拟、理论分析，结合实验研究，探讨多孔材料在动态加载下的细观变形机制，揭示应力波在材料中的传播规律和细观微结构效应，建立细观结构参数与宏观力学性能之间的关系，发展包含细观结构效应的冲击波模型，探讨从细观到宏观的跨尺度优化设计原理。本项目的研究对于指导多孔材料及其复合结构的耐撞性优化设计，加快推动材料的自主化设计，开发具有可调控力学特性的超轻质多孔材料具有重要意义。

多孔材料具有轻质、高比强度、高比刚度、抗冲击、良好的可设计性等特点，复杂多变的细观微结构，使其能够融合多种功能于一身，逐渐发展成为一种兼具结构和功能于一体化的新型材料，在汽车、航空航天、军事等领域有着广泛的应用。为实现材料的主动设计，获得力学性能可调控的多孔材料，项目围绕研究计划，以工程结构的耐撞性需求为导向，以泡沫金属、泡沫聚合物材料以及蜂窝结构为研究对象，系统开展了多孔材料宏观性能的细观微结构效应、多孔材料的动静态力学模型以及多孔材料轻质复合结构的多尺度设计等方面的研究工作。本项目的主要研究进展和结果如下：开展多胞材料的直接撞击数值模拟试验，基于连续速度场分布定量化描述了应力波的传播规律，揭示了动态压溃性能的相对密度和应变率的依赖性，建立了多胞材料动力学响应的解析模型；为充分发挥蜂窝结构面、内外的力学性能和工程应用的适用性，构建了三维多孔蜂窝柱壳模型，分析了细观构型及密度梯度参数对细观变形机理、应力波的传播以及能量耗散的影响，并基于一维应力波理论，建立了不同加载速率下连续密度梯度蜂窝柱壳动态响应的理论预测模型；结合3D打印加工技术，探讨了不同基体材料和制备工艺对多孔材料压溃行为和力学性能的影响，提出了用于描述开孔泡沫材料应力-应变行为的细观统计本构模型；通过对蜂窝结构进行整体的收缩沉降，引入屈曲诱导元素，初步实现了多孔材料的变形失效模式和压溃性能的可调控性。进一步，实验研究了三维蜂窝柱壳填充管及泡沫混凝土填充蜂窝结构的压溃行为，分析了能量吸收性能增强的细观结构相互作用机制，对细观结构参数和填充组合模式进行了优化，为轻质高性能复合结构的优化设计提供了工程指导。综上所述，本项目探讨了多孔材料动静态力学响应的细观结构效应，提出了轻质多孔材料及其复合结构耐撞性的跨尺度优化设计的方案，为力学性能可调控的超轻质材料的开发和工程应用提供理论支撑。