多孔金属防爆超材料中波传播特性与衰减机理研究

Elastic metamaterials are artificial composite structures/materials with extraordinary elastic mechanics performance and possess extensive potential applications for blast wave protection due to their unique negative dynamic mass density properties. However, current research on elastic metamaterials are mainly concentrated on their abundant physics and mechanics performance with isotropic homogeneous matrix, while the wave propagation characteristics and attenuation mechanisms in the elastic metamaterials with composite materials matrix has been scarcely studied. This project is dedicated to study the wave propagation characteristics and attenuation mechanisms in the elastic metamaterials with porous metal matrix and explore a novel anti-explosion material. The elastic wave propagation characteristics in the proposed elastic metamaterials will be investigated by using the finite element method. The effects of the microstructure parameters on the wave propagation characteristics will be further explored numerically. On this basis, the blast wave propagation and attenuation mechanisms of porous metal anti-explosion metamaterials will be theoretically and numerically conducted. Furthermore, the effects of the repeated explosive loads on the blast wave attenuation characteristics would be carried out. Finally, the experimental platform of porous metal anti-explosion metamaterials under explosive loads would be set up to verify our theoretical results. The project is not only beneficial to solve the physical problems of stress wave propagating in the porous metal anti-explosion metamaterials, but also helpful to expand the application of elastic metamaterials in blast wave protection engineering. The study of this project is of significant academic value and engineering application values.

弹性超材料泛指具有超常规弹性力学性能的人工复合材料或结构，其独特的负等效质量密度特性为爆炸冲击防护领域提供了新的技术方法。目前弹性超材料的研究主要集中于各向同性均匀基体弹性超材料超常规物理现象与力学性能的探索方面，对于复合材料基弹性超材料中波传播特性与衰减机理尚不清楚，缺乏具有工程应用价值的防爆超材料研究。本项目以探索新型防爆超材料为目标，采用理论分析、有限元数值模拟以及实验测试相结合的方法，研究多孔金属基弹性超材料的色散关系，分析其带隙机理、负等效质量密度特性及缺陷态特性，揭示多孔金属微结构对波传播特性的影响规律。研究爆炸冲击载荷下多孔金属防爆超材料中爆炸冲击波衰减机理，分析重复爆炸冲击波对防爆超材料冲击波衰减特性的影响，实现多孔金属防爆超材料抗爆抗冲击性能优化。本项目的研究不仅拓展了弹性超材料的物理范畴，而且为其在爆炸冲击防护领域的应用奠定了理论基础，具有重要的学术意义和工程应用价值。

弹性超材料泛指具有超常规弹性力学性能的人工复合材料或结构，其独特的负等效质量密度特性为舰艇爆炸冲击防护领域提供了新的技术方法。目前弹性超材料的研究主要集中于各向同性均匀基体弹性超材料超常规物理现象与力学性能的探索方面，对于复合材料基弹性超材料中波传播特性与衰减机理尚不清楚，缺乏具有工程应用价值的防爆超材料研究。本项目以探索新型防爆超材料为目标，从多孔金属防爆超材料中弹性波传播特性、爆炸冲击波衰减机理以及抗爆抗冲击性能优化与实验验证等三个方面，对多孔金属防爆超材料中波传播特性与衰减机理进行了深入系统的研究，取得了如下成果：（1）研究了多孔金属基弹性超材料中弹性波色散关系，揭示了其低频宽带隙产生机理和负等效质量密度特性，分析了多孔金属微结构参数对弹性波传播特性的影响规律。（2）开发了弹性超材料中应力波传播可视化方法，研究了爆炸冲击载荷作用下多孔金属防爆超材料中爆炸冲击波传播规律，揭示了其爆炸冲击波衰减机理，分析了爆炸冲击载荷强度、载荷作用时间等对其爆炸冲击波衰减特性的影响。（3）研究了多孔金属夹芯超结构冲击动力响应特性，揭示了冲击载荷下多孔金属夹芯超结构动态响应和吸能机理，为多孔金属防爆超材料抗爆抗冲击性能奠定基础。（4）研究了梯度组合多孔金属防爆超材料中爆炸冲击波衰减特性，搭建了实验平台对梯度组合超结构中应力波传播与衰减性能进行测试，验证了理论模型和优化结果的正确性。本项目执行期间共发表高水平论文15篇，包括杂志论文10篇、会议论文5篇，其中SCI检索6篇，EI检索6篇，申请授权国家发明专利2项，参与国内外学术会议6次，荣获陕西省高等学校科学技术一等奖。通过本项目的研究，探索了多孔金属防爆超材料中波传播特性与衰减机理，研究成果对于新型舰船爆炸冲击波防护设计提供了新的途径。