多胞金属材料的动态压缩力学行为机理和本构模型研究

本项目针对目前学术界关于多胞金属材料动态力学性能实验结果的分歧，对它在冲击压缩荷载下的动态力学行为及其机理展开深入研究。项目首先在实验和有限元数值计算的基础上研究胞孔的几种动态坍塌机制，并建立相应的力学模型对它们进行描述；进而找出胞孔的不同坍塌机制间转换的临界冲击速度，该临界速度应为胞孔几何参数以及基体材料力学和物理等参数的函数。根据得到的临界速度对冲击速度划分区域，在每个速度区域内，基于胞孔的坍塌机制建立多胞金属材料的动态本构模型，对它的力学性能及其影响因素进行定量讨论和比较，从而对多胞金属在实验和数值计算中表现出来的一些力学行为做出机理上的解释。本项目的研究工作将对多胞金属材料在工业应用中的合理选用以及对其制备工艺的改进提供一定的依据。

多胞金属在冲击荷载下会表现出动态增强现象，早期的文献将该现象归结为应变率效应，但不同文献中产生了相互矛盾的实验结论。本项目针对这些实验结果的分歧，对多胞金属在冲击荷载下的动态力学行为及其机理展开研究。通过实验和数值模拟研究胞孔在不同冲击速度区域内的坍塌机制，在此基础上提炼描述胞孔坍塌机制的动力学模型，并考虑胞孔结构的惯性效应，从而建立多胞金属在不同冲击速度区域内的动态本构模型，对它的力学性能及其影响因素进行定量讨论。 . 推导了六角蜂窝分别在受高速和低速冲击时的承载力的解析表达式，建立了与冲击速度、胞尺寸、胞壁夹角和基体材料力学性能之间的定量关系。进一步给出了高速冲击和低速冲击的临界速度公式。数值模拟和理论分析都发现在中低速冲击时，蜂窝的防护反力随冲击速度的增加反而降低，这与冲击端承载力的结果相反，在应用时应引起注意，该现象可以用微结构的惯性效应来解释。六角排列圆胞蜂窝比四角排列具有更高的能量吸收能力，这一方面来自于蜂窝的密排结构，还有一个重要因素来自于胞和胞之间的不同约束。约束越多，褶皱的波长越小，从而导致塑性铰个数增多，同时发生的局部变形越严重，这些因素使得六角排列蜂窝的承载力最高，圆管最低。. 针对多胞金属提出了动态敏感因子来定理评估多胞金属承载力对冲击速度的敏感程度，该因子只与胞孔构型和胞与胞之间的约束有关，与冲击速度无关，反应了胞孔结构惯性效应的固有属性。. 通过合理设计梯度泡沫材料，可对其承载力、防护反力和能量吸收能力进行系统控制。密度梯度泡沫的初始应力峰值和早期的能量吸收能力随第一层的弱化而降低，并且可以通过减小第一层的厚度来降低对能量吸收性能的负面影响。第一二层的密度不能相差太大以避免峰值荷载出现在第二层泡沫的受压过程。较弱的远端泡沫层能降低泡沫在高速冲击下的防护反力，然而如果后两层的密度梯度太大将导致泡沫在中速冲击下远端应力较早的增加。采用数字图像处理技术分析受压泡沫中的密度分布，可以得到泡沫在冲击荷载下的密实应变；然后结合泡沫在低速压缩下的应力-应变曲线可以预测泡沫的动态平台应力。结果表明泡沫的平台应力和密实应变均随着冲击速度的增加而增加，这本质上由于泡沫在冲击荷载下的局部化变形所导致。