基于三维周期极小曲面的多孔材料的能量吸收特性研究

Cellular materials with triply periodic minimal surfaces (TPMS-CM) topology are novel energy absorption structures with light weight and high efficiency, which have great potential applications in structure crashworthiness. In this project, systematical experiments and finite element simulation are carried out to investigate mechanical properties and energy absorption characteristic of TPMS-CM under quasi-static and impact crushing conditions. Emphasis is placed on studying the effect of topologies, base materials, relative density, structure size and strain rate on the mechanical properties and energy absorption performance of TPMS-CM, leading to the establishment of theory basis for TPMS-CM design, analysis and optimization. Based on the results of experiments and numerical simulation, a theoretical model is developed to predict crushing load and evaluate energy absorption performance of TPMS-CM. Furthermore, in order to improve energy absorption performance of TPMS-CM, nanoporous materials functionalized (NMF) liquid, as a filler, is filled into TPMS-CM to construct a superior energy absorption systems, which are crushed to investigate energy absorption performance by static and dynamic crushing tests. The behaviors of the interaction between the filler and cell walls of TPMS-CM, relative density, size effect and impact velocities on crushing modes and energy absorption characteristics are studied in detail. This project is beneficial to promote application of TPMS-CM in structure crashworthiness.

基于三维周期极小曲面的多孔材料(TPMS-CM)，作为一种新型的能量吸收材料在耐撞性防护领域具有十分广阔的应用前景。本项目旨在研究TPMS-CM的能量吸收特性并揭示该多孔材料在静/动载荷作用下变形的物理机制，拟采用力学实验结合有限元模拟的方法对TPMS-CM在准静态和冲击条件下的力学行为及能量吸收特性开展深入的研究。通过综合剖析拓扑结构、构成材料、相对密度、体积占比、尺寸效应、应变率效应等因素对其力学性能及能量吸收特性的影响规律，建立TPMS-CM力学性能分析、设计和优化的基础理论，发展可用于压溃载荷预测和吸能性能评估的理论模型。在此基础上，采用动静态压溃试验结合数值模拟研究TPMS-CM内部填充含纳米多孔介质的功能流体（NMF流体）的能量吸收特性，阐明填充物与TPMS-CM胞壁的耦合作用机制以及冲击速度对压溃模式和吸能能力的影响规律。研究成果将有助于推动该材料在结构耐撞性领域的应用。

受自然启发的三周期极小曲面结构，是一种新型的多孔材料，表现出了比传统基于桁架的点阵材料更加优异的力学性能，使其在航空航天、汽车和兵器等领域有着广阔的应用前景。认识这种新型材料的力学行为并理解其吸能机制是能量吸收结构设计、优化和应用的基础。本项目针对基于三维周期极小曲面的多孔材料(TPMS-CM)，开展了系统的实验、数值模拟和理论分析工作对TPMS-CM的静动态力学性能和能量吸收特性进行了深入研究，考察了胞元的拓扑构型、基材类型、相对密度、体积占比、几何或壁厚梯度、冲击速度、填充等因素对其力学行为及能量吸收特性的影响，获得了压溃模式变化的规律，得到了相对密度和体积占比对能量吸收特性参数定量关系式，发现了泡沫填充与壁厚的交互作用对失效模式的改善作用和显著提高了能量吸收能力。理论分析给出了一维冲击波在均匀多胞结构、单级圆形和多级圆截面梯度多胞结构的传播规律，获得质量块受冲击后的加速度、速度和位移等时间历程曲线，结合优化算法可以通过调整多级结构的几何参数实现冲击响应波形的调配。此外，还探究了将TPMS-CM应用于伞兵靴鞋底结构，并辅以填充剪切增稠液，通过准静态压缩、落锤冲击、人体跳跃实验以及数值模拟相结合的方法，能够表明所设计的伞兵靴鞋底相比于普通伞兵靴能够降低着陆时的地面冲击力峰值达15%以上，体现了TPMS应用于缓冲方面的潜力。研究成果可望为基于三维周期极小曲面的多孔材料在结构耐撞性领域的应用提供依据和参考。