基于动态性能的超轻质点阵材料结构一体化设计

从理论、实验和数值分析三方面研究超轻质点阵材料中应力波传播规律和结构的动态响应。针对几种典型的超轻点阵材料，结合其微结构尺度微小和三维周期排布的特点，发展适用于三维周期微结构中应力波传播的理论和数值方法以及相关的实验技术，探索其中应力波传播的规律和特点，以及这些规律、特点与超轻点阵材料微结构尺度、构型和材料等的关系；通过理论和实验的方法探索超轻点阵材料微结构引起的尺度效应对宏观性能的影响，寻求适用的均匀化描述方法，以此研究超轻点阵材料整体的动态响应；利用超轻点阵材料中应力波传播规律和整体的动态响应，探索能够实现特定功能（如减振、隔振、降噪）的微结构尺度、构型和材料类型优化方法，提出一、两种基于动态性能的超轻点阵材料的优化设计方案。

本课题从理论、实验和数值分析三方面研究了超轻质点阵材料中应力波传播规律和结构的动态响应，主要工作如下：.1) 研究了点阵材料结构的波传播规律：将回传射线矩阵法应用于一维周期杆、梁结构，发展了相应的一维周期性梁、杆中弯曲波与纵波频散关系曲线计算方法，并揭示了频散的禁带现象；提出了一种二维点阵材料构型的改进设计，采用有限元法与Bloch定理结合的方法计算了该构型的弹性波频散关系。结果表明，其频散关系中不仅会有由于周期性引起的带隙，而且还存在由于子结构的局域化共振导致的局域共振带隙，并利用此原理设计了一个能够阻隔较宽频率范围内的振动的点阵材料结构；基于激光测振仪发展了点阵夹芯板结构中应力波传播测试技术，得到了结构中波场分布。实验结果表明点阵夹芯铝板中波前和均匀铝板中一样呈柱状扩散传播，但波场呈现局部振荡传播、更复杂。.2) 以金字塔型和四面体型桁架核心夹芯板为例，通过单胞的力学分析，得到等效弯曲刚度、横向剪切刚度等弹性常数，将三维点阵夹芯板等效为二维均匀连续板，并获得了考虑剪切变形的四边简支条件下夹芯板的自振频率和屈曲载荷的封闭解。对单胞几何参数进行优化设计，可使结构获得更强的抗屈曲能力；开展了相应的点阵夹芯板动态测试，结果表明均匀化模型预测的动态响应在低频情况下与实验结果吻合较好，但是高频情况下，点阵夹芯结构会出现局部高阶振型，无法用均匀化模型描述;且点阵夹芯板的振型不同于均匀板具有非对称性、局部震荡等特点。.3) 发展了同属轻质材料的高分子多孔材料内部细观结构的量化表征实验技术，研究了材料细观结构特性对其力学性质的影响。提出了一个含尺寸分布因子变量的适用于不规则多孔固体材料的等效力学模型，该模型预测的结果与实验结果更加吻合。