多孔材料动力学性能微/宏观多功能集成一体化设计研究

从冲击动力学角度出发，基于多孔介质材料o结构，流体o固体耦合响应的特性，采用宏观/微观相结合的多尺度力学分析方法，建立能够反映多孔材料主要物理、动力学特征的多尺度模型和数值模拟方法。通过理论分析和数值模拟，并与实验结果相互验证，从微观结构出发，研究冲击载荷作用下，多孔材料的能量吸收机制以及应力波传播和衰减特性，建立多孔材料微拓扑结构与宏观动力学响应间的关系，探索解决多孔材料冲击动力学响应结构 材料多功能一体化设计难题的有效途径。该项目的研究可为机车的轻量化设计，航空航天器抗冲击和减震性能的研究，以及提高生物材料的安全性和使用寿命等方面的科学研究和实际应用提供有效的理论基础和可靠的数值模拟手段。同时，本项目的实施也是多孔材料多场耦合多尺度模拟方法方面的有益探索。

本项目的研究目标是采用宏观/微观相结合的空间多尺度力学分析方法，从微结构出发，研究多孔材料的能量吸收机制和应力波传播规律，发展和完善适宜于多孔材料动力学性能多功能集成设计的分析方法。经过三年的研究工作，已经按计划完成了本项目预期的研究内容。(1)澄清了强度空间分布对金属空心球泡沫冲击动力学性能的影响，并提出了软硬交错排布空心球模型，以期通过控制小球的材料/强度在空间的分布,实现材料在冲击过程中根据外载自主调控的目的；（2）提出了密度梯度多孔材料模型。通过对二维密度梯度圆环以及三维密度梯度金属空心球泡沫的研究，澄清了不同冲击速度下密度梯度排布和密度梯度大小对密度梯度材料动力学响应特性的影响，建立了平台应力和冲击速度/密度梯度间的关系，并给出了密度梯度多孔材料的设计方案。此部分工作是多孔材料研究的国际前沿，其对于实现多孔材料内应力分布和能量吸收过程的控制具有重要的意义；（3）澄清了载荷形式以及缺陷分布区域对多孔材料动力学响应特性的影响。并给出了不同加载条件下，产生冲击应力强化时的临界载荷和临界载荷冲量。此部分工作对于多孔材料在不同工况下的应用，以及多孔材料的缺陷评估具有重要的理论指导意义；（4）给出了计及应力波传播效应时弹性地基梁的动力屈曲条件，建立了应力波特征参数/弹性地基刚度以及梁的几何尺寸与临界屈曲载荷间的关系；另外，理论分析了质量块冲击下泡沫夹芯梁的动力响应，考虑到泡沫夹芯在变形过程中的压缩和弯曲效应，提出了新的泡沫夹芯梁理论模型。这是泡沫夹心梁动力学模型研究中的一个重要改进。这部分工作对于梁/泡沫夹心梁的动力学性能设计提供了理论依据；（5）借助于数值模拟，重新讨论了基本动力学单元-圆环/圆管的面内压缩性能。澄清了一直以来关于圆环变形过程中塑性区如何扩展的问题，基于圆环压缩变形的几何特征，考虑水平以及垂直塑性铰的移动，不同于Reid等建立的方程，重新建立了圆环动力响应特性和其变形量的之间显式关系，这是在圆环动力响应特性方面研究的一个重要发展。（6）考虑到多功能集成优化设计的要求，讨论了一般周期性蜂窝材料（三角形和六边形）以及组合蜂窝材料（由不同基本胞元组成）内应力波的频散特性，建立了组分胞元临界孔隙率和组合结构临界孔隙率之间的的关系，这对于蜂窝材料的力学/声学多功能优化设计提供了重要的参考。以上研究成果为实现多孔材料的多功能集成设计提供了有效的理论设计基础。