泡沫金属的多轴加载行为、本构模型和多尺度优化

Metallic foams as high-performance energy-absorbing materials have attracted considerable research interests, but current research is focused mainly on understanding their uniaxial loading behavior. However, metallic foams in practical applications are often subjected to complex loads and the knowledge of their uniaxial behavior alone is not sufficient to describe the constitutive characteristics due to compressibility, and thus it is urgent to understand their mechanical behavior under multi-axial loading. In addition, metallic foams have the characteristics of high porosity and strong designability and there is still a lot of academic research space, and thus it is possible to optimize the mesostructures of metallic foams with the requirements of functionality and performance. This project is focused on the multi-axial loading issues of metallic foams and the main research ideas include understanding the mechanical behavior, developing the constitutive model and proposing the optimization method. A combination of cell-based finite element simulations, theoretical analysis and experimental tests will be used to explore the macroscopic mechanical behavior, to understand the mesoscopic deformation mechanisms, and to develop a practical constitutive model for metallic foams under multi-axial loading. The mesoscopic deformation mechanisms will be used to guide the optimization of mesostructures of metallic foams. The optimization of graded metallic foams will be carried out with the requirements of impact resistance and energy absorption. Finally, the design principle of meso-macro multi-scale optimization will be proposed for metallic foams. These investigations are significant for the engineering application of ultra-lightweight materials and the development of multidisciplinary.

泡沫金属作为高性能吸能材料吸引了广泛的研究兴趣，但现有工作主要集中在对其单轴加载行为的研究。然而，泡沫金属在实际应用中常常遭受到复杂载荷的作用，而且由于泡沫金属的可压缩性，仅仅了解其单轴行为并不足以描述其本构特性，因此迫切需要认识其在多轴加载下的力学行为。此外，泡沫金属具有高孔隙率的特点，可设计性强，还存在很大的学术研究空间，有可能根据功能和性能的需要对其细观结构进行优化设计。本项目针对泡沫金属的多轴加载问题，以"认识力学行为- - 发展本构模型- - 提出优化方法"为主线，采用细观有限元模拟、理论分析和实验研究相结合的方法，探讨泡沫金属在多轴加载下的宏观力学行为和细观变形机制，建立实用的本构模型，并根据细观变形机制指导泡沫金属细观结构的优化设计，根据抗冲击吸能的要求指导梯度泡沫金属的优化设计，探讨从细观到宏观的多尺度优化设计原理。该课题的研究对超轻质材料的工程应用和多学科交叉发展均具有重要意义。

泡沫金属在实际应用中常常遭受到复杂载荷的作用，亟需认识其在多轴加载下的力学行为和耐撞性设计方法。本项目以数值模拟、理论分析和实验研究相结合的研究手段，深入探讨了泡沫金属的多轴加载行为、动静态本构模型和耐撞性设计方法，取得了预期的研究成果。.(1) 建立了一系列细观有限元模型，使之可以描述随机蜂窝、闭孔泡沫、开孔泡沫、梯度多胞结构等多种构型的动态压溃；发展了多胞材料局部应变场计算方法，探讨了应变的局部性和准确性，提出了截断半径的优化选取方案；建立了随机蜂窝或梯度蜂窝的截面应力计算方法，获得了动态压缩下的应力分布。.(2) 提出了结合细观有限元模型和塑性冲击波模型或应力波传播模型的多尺度分析方法，获得了多胞金属的动态应力-应变关系，发现了压实区应力-应变状态的冲击速率敏感性和初始压溃应力的应变率敏感性，揭示了多胞金属率敏感性机理和能量吸收机理。.(3) 开展了闭孔泡沫金属在单轴、双轴、三轴和复合剪切压缩加载下的数值模拟研究，分析了变形特征、特征应力和特征应变等信息，探讨了椭圆屈服准则的适用性，通过考虑塑性泊松比的影响改进了泡沫材料的各向同性本构模型；基于胞元损伤和细观统计规律，建立了可以描述多胞材料从弹性、初始压溃、塑性平台到压实整个过程的宏观应力-应变关系。.(4) 建立了多胞牺牲层在爆炸载荷作用下的非线性塑性冲击波模型，获得了多胞牺牲层临界长度的渐近解；提出了基于冲击波模型反向设计密度梯度多胞结构的耐撞性设计方法，并使用细观有限元模型证实了该方法的有效性。.相关成果发表在J. Mech. Phys. Solids, Int. J. Impact Eng., Int. J. Solids Struct., Mech. Mater., Mater. Sci. Eng. A, Acta Mech. Sin.等国内外重要期刊上，并形成了以“多胞材料动态压溃”为主题的系列论文。该课题的研究为主动设计材料提供新思路，对超轻质材料的工程应用和多学科交叉发展均具有重要意义。