剪切增稠流体填充轻质点阵夹层板的动力学行为与能量耦合耗散机制

It is a promising development direction of light-weight high-efficient impact protective technique by combing shear thickening fluid (STF) and sandwich panel with lattice truss core. In this proposal, the dynamic behavior as well as energy coupling dissipation mechanisms of sandwich panels with shear thickening fluid (STF) filled pyramidal lattice truss cores will be studied. Firstly, the dynamic behavior of STF at various loading conditions will be measured, and a constitutive model will be developed for describing its rheological behavior, dynamic deformation and failure of solid-state material, as well as bulk compressibility. Then, the coupling effect between the STF and the sandwich panel with pyramidal lattice truss core will be studied through modeling analysis, fluid-structure interaction (FSI) simulation, and molecular dynamics (MD) simulation. The influences of impact pressure, geometry of sandwich panel, as well as mechanic behavior of STF on the dynamic energy absorption capacity of the sandwich panel with STF filled truss core will also be investigated with the aid of experiments at various impact pressures. Finally, based on the numerical simulation and dimensional analysis, the key dimensionless parameters that control the dynamic energy capacity of the sandwich panel with STF filled pyramidal lattice truss core will be obtained. Through the research of this proposal, the essential theory and method will be developed for designing and optimizing the STF related high-efficient light-weight protective engineering.

将剪切增稠流体（Shear Thickening Fluid，STF）填充进入点阵夹层板，以高效吸收冲击的能量，是轻质防护技术的一个新发展方向。本申请以这种新体系的动力学行为与能量吸收机制为研究对象，通过STF在不同载荷条件下的力学性能实验研究，建立描述STF 流变、固体变形与失效、可压缩性的本构关系；发展STF与夹芯结构瞬态相互作用的计算方法与简化物理模型，获取冲击能量的耦合耗散机制，结合不同冲击压力实验测量，获得压力、夹芯结构参数、STF 物性等的影响；采用量纲分析方法，确定STF填充点阵夹层板能量吸收的主控参数，并结合有关的实验与数值模拟结果，获取主控参数的影响规律。上述研究工作，对于此类高性能轻质防护结构的设计与优化，将提供必要的理论与方法支撑。

材料与结构的动态能量吸收性能，是爆炸与冲击防护工程的设计基础，一直以来是冲击动力学领域研究的热点。剪切增稠流体(Shear Thickening Fluid, STF)是一种非牛顿流体，随着剪切速率或剪切应力的增加，其粘度可以有几个量级的增加。将STF填充到点阵夹层板内部，通过二者的耦合效应来提高冲击吸收能力，是轻质防护技术的一个新的发展方向。目前在STF填充轻质点阵夹层板的冲击能量耗散方面的研究相对缺乏。因此，获得冲击载荷作用下STF填充点阵夹层板的能量耦合耗散形式与机制，具有重要的理论和工程应用价值。. 本项目研究了动载荷下STF在复杂杆系中的流变与变形行为、STF与点阵夹芯结构的瞬态流固耦合效应与能量耦合耗散机制、STF填充聚合物的冲击能量吸收的主控参数与相似律，取得了以下几个方面的研究进展：.（1）STF的非线性粘性高压本构关系. 通过流体弹塑性模型描述了STF剪切变稀、剪切增稠和体积可压缩性等复杂动力学行为，建立了STF的复杂高压本构关系，确定了STF的非线性粘性系数、高压状态方程参数。.（2）STF与点阵夹层板的能量耦合耗散机制. 发现了STF与点阵夹层板的冲击能量吸收增强耦合效应，表现出“1+1>>2”吸能行为。通过流固耦合模拟，发现冲击过程中STF在夹层板外围附近快速流动，对芯材形成强支撑作用，使点阵夹层板变形模式发生了转变，从而增强了STF填充点阵夹层板的能量吸收能力。.（3）STF填充聚合物的冲击能量耗散主控参数. 制备了STF填充硅橡胶基体复合材料，实现了低应变率下的柔韧性、高应变率下的坚固性特点，一定程度上解决了防护材料柔韧性与坚固性的矛盾。通过量纲分析结合数值模拟，给出了STF填充硅橡胶冲击防护性能的主控参数与相似律。. 项目执行过程中在国内外重要期刊中发表了13篇学术论文，其中SIC收录论文共11篇；参加了多次学术会议促进了合作与交流工作；培养了1名博士研究生、1名硕士研究生。研究成果深化了对STF冲击动力学行为的认识，促进了STF相关高性能轻质防护材料研究的发展。