温度及加载速率对混杂金属多孔梯度复合结构的破坏模式及吸能特性影响研究

Modern science and technology demand materials have superior mechanical properties, ultra-light and high-strength properties of metallic porous material make it extremely competitive in complex environmental applications (such as thermal mechanical coupling). Core member buckling of metallic lattice and low-strength of metallic foam largely restricted their engineering applications. Designing novel metallic composite structure with high strength and high energy absorption performance and study its thermal-mechanical coupling effects is particularly important. The project based on hybrid and gradient design ideas to design gradient composite structures with all metallic hyird cores, through MTS and SHPB experimental test to study their out-of-plane compressive properties under quasi-static and impact loading conditions with varies temperatures. Effects of temperature and loading rate on failure modes, energy absorption mechanisms and coupling enhancement effects of the novel structures were studied experimentally and numerically. Finally, by optimizing the geometry design and geometric parameters to achieve its weight-optimized design. Such research can provide a basic design of new protective structures in complicated loading conditions.

现代科学技术的发展对材料复杂服役环境下的综合性能提出了更高的需求，以泡沫金属及金属点阵为代表的金属多孔材料具有的超轻、高强及多功能可设计性使其极具竞争力，但金属点阵芯体的屈曲破坏及泡沫金属的低强度严重制约着其工程应用。因此设计具有更高强度及能量吸收率的新型金属多孔结构并开展其力热耦合等复杂工况下的力学行为研究尤为重要。本项目拟基于混杂及梯度设计思想设计新型混杂金属多孔梯度复合结构，通过不同温度环境下MTS及SHPB实验加载系统实现力热耦合，结合数值模拟方法研究温度及加载速率其破坏模式及能量吸收特性的影响规律及作用机制，揭示力热耦合作用下泡沫铝与点阵芯体单元之间的耦合效应及机理。以单位质量峰值压缩强度和单位质量能量吸收率为评价及设计指标，对其承载及吸能特性进行表征，通过几何构型、几何参数及材料参数的优化实现重量优化设计。本项目研究可以为复杂服役环境下新型防护结构的设计提供一定的研究基础。

本项目瞄准航空航天等领域的结构轻量化设计这一重大目标需求，利用轻质多孔材料的超轻、高强及多功能可设计性的特点，基于混杂设计思想，设计了一系列轻质多孔材料和结构，并对其静态、动态载荷作用下的力学性能进行了表征。发现了新型复合结构芯体单元之间的耦合增强效应，并揭示了其耦合增强机理。主要研究结论如下：.（1）基于混杂设计思想，设计并制备获得了金属管增强蜂窝结构、金属管增强泡沫结构、泡沫填充金属点阵结构以及泡沫填充蜂窝结构等一系列复合增强结构，丰富和拓展了多孔材料和夹芯结构体系；.（2）对（1）中设计的复合增强结构静动态载荷作用下的力学行为进行了表征，发现了金属管件与蜂窝，金属管件与泡沫，泡沫与点阵等芯体单元之间的耦合增强效应，并对其耦合增强机理进行了探讨；.（3）在轻质夹芯结构力学性能研究基础上，瞄准轻量化结构多功能一体化设计需求，本项目将电磁波调控行为引入到夹芯结构设计当中，进行结构功能一体化设计。获得了集承载与电磁波调控一体化的夹芯结构，并对其电磁波调控行为与力学行为进行了表征。.本项目研究属于基础研究，但也紧扣航空航天等领域的结构轻量化设计这一国家重大目标需求开展，提出的夹芯结构复合增强设计方法对航空航天等领域轻量化结构设计具有重要的指导意义，有望未来飞行器结构设计上实现应用。同时将电磁波调控行为引入夹芯结构中实现结构功能一体化设计也为未来飞行器实现承载结构隐身设计提供了新的设计思路与方法。