具有多种阻尼特性的泡沫金属夹芯复合材料结构的动态响应特性研究

Damping is a key factor to affect the dynamic responses of composite structures. The composite structures are assembled by different materials, structures and joints with significantly different levels of energy dissipation. However, most of the studies on dynamic characteristics of composite structures are not considering the multiple damping mechanisms. Therefore, the accuracy of the damping model and its corresponding computational methods are restricted. The project is focused on sandwich composite structures with aluminum foam. At first, in order to reveal the damping characteristics of the composite structures on the evaluation of microstructure and marco-structure, we will study the multiple damping mechanisms of composite structures by meso-mechanics, experiments and numerical analysis. Then, by introducing a new damping kernel function, the various damping characteristics are expressed by a fraction formula in a unified way based on convolutional damping theory. Built on this expression, the finite element model of the composite structures is established. Finally, based on efficient numerical methods and discretize-then-differentiate method, the computational methods of transient response and its sensitivity analysis method are proposed for composite structures with multiple damping models. This would help to predict and analysis the dynamic response characteristic of the composite structures under loadings. The project lays a theoretical foundation for the potential design of the sandwich composite structures with metallic foams and will be useful for the applications of advanced high viscoelastic damping materials.

阻尼是影响复合材料结构动态响应特性的关键因素。复合材料结构含多种不同的阻尼特性，受材料、结构和结合部共同影响。目前，复合材料结构的动力学建模多基于单一阻尼模型假设，严重限制了其动态响应预报精度及相应计算方法的开展。本项目以泡沫铝夹芯复合材料结构为对象，基于宏、微观实验、细观力学和数值模拟，研究其多种阻尼机理，揭示微观组织和宏观结构变化对材料阻尼性能的影响；再基于卷积型阻尼模型，通过引入新的阻尼核函数，构建能统一描述泡沫铝夹芯复合材料结构多种阻尼特性的粘弹性阻尼模型及有限元模型；最后，基于高效数值分析方法和先离散后微分思想，提出适用于含多种阻尼特性复合材料结构的高精高效时域响应和时域响应灵敏度计算方法，实现其在复杂载荷作用下动态响应特性的定量预测分析，突破材料-结构一体化设计的关键技术。本项目为实现具有高力学高阻尼性能的多功能复合材料结构的分析设计奠定基础，具有重要的理论意义和工程应用价值。

阻尼是影响复杂结构系统动态响应特性的关键因素。但目前的复杂结构动力学建模多基于单一阻尼模型假设，严重限制了其动态响应预报精度及相应计算方法的发展。本项目针对含多种不同阻尼特性的结构系统动态响应特性问题，系统深入地对其阻尼模型建立、不同激励下的时域响应和灵敏度求解方法和多孔夹芯结构的多尺度拓扑优化设计方法进行了研究，主要成果如下：(1)针对含多种阻尼特性的结构系统动态响应特性问题，构建了一种具有有理多项式分数形式的一般阻尼模型，统一表达了目前常用的各种粘性和非粘性阻尼模型，并依此建立了相应的动力学方程，该模型为后续的含多种阻尼模型结构系统的动态响应分析和灵敏度求解奠定了基础；(2)针对非比例粘性阻尼系统和具有卷积积分形式的非粘性阻尼系统，提出了一系列高效高精的时域响应和时域响应灵敏度求解算法，揭示了离散和微分先后顺序对阻尼系统时域响应灵敏度求解的影响机制和规律，讨论了不同模态缩减基对求解阻尼系统时域响应灵敏度计算精度和效率的影响及选取准则，为实现阻尼系统动态响应性能的分析和优化奠定了基础；(3)基于参数化水平集方法、均匀化理论和多相材料等效理论，提出了一种能够同时考虑多孔夹芯复合结构宏观面板厚度和芯层微观构型的多尺度拓扑优化设计方法并进行了初步的实验验证，揭示了微观组织构型和宏观几何参数对其动力学特性的影响，实现了其在复杂载荷作用下动态特性的定量预测分析和优化。本项目为实现具有高力学高阻尼性能的多功能复合材料结构的分析设计奠定基础，具有重要的理论意义和工程应用价值。在本项目的支持下，课题组已在Mechanical Systems and Signal Processing, Computers & Structures, Journal of Sound and Vibration, Structural and Multidisciplinary Optimization, Materials & Design和《振动与冲击》等国内外高水平期刊发表SCI论文7篇，EI论文1篇；申请并授权发明专利1项；此外，项目负责人入选了2019年度“香江学者”计划。