功能梯度多孔金属夹芯复合结构的冲击力学行为及波致失效机理研究

梯度多孔金属夹芯复合结构是当前最有发展潜力的轻质、强韧、抗冲击、多功能一体化结构。本研究针对航空航天等高技术领域特殊服役环境的需求，建立、发展和完善功能梯度多孔金属夹芯复合结构在强动载荷下的塑性动力行为的解析分析模型，给出其关键动力失效模式、探讨夹芯复合结构及各组成部分的能量耗散机理和破坏机制，分析爆炸、撞击等强动载作用下应力波在梯度多孔金属（密度梯度变化及层不均匀等）中的形变、能量传递过程和衰减规律及细观结构、孔隙中介质（空气等）对其的影响，研究可能出现的力/应力增强等问题，阐明其物理机制，给出力/应力增强的相关准则。以其抗冲击性能为优化目标，对梯度多孔金属的密度梯度变化、分层数及其组合和面板、芯层的几何参数及力学性能参数进行优化设计，为多孔金属夹芯复合结构在我国重大工程结构多功能创新设计提供技术支持。

课题按照《资助项目计划书》所列研究内容进行，完成了规定的研究任务。主要研究内容和取得的成果如下：.1、强动载荷下多孔金属夹芯结构的动力行为研究.1)将Calladine提出的等面积法扩展到夹芯结构大挠度变形。分析了夹芯圆板在准静态中心载荷下的抗承载能力，解析解与数值模拟吻合较好。此方法可进一步推广到梯度夹芯结构大挠度变形分析中，为工程应用提供一种更加简单快速的计算方法。.2)采用自行设计的弹道冲击摆锤系统和空气动力枪，对夹芯结构进行了爆炸和冲击载荷加载试验研究，分析了面板厚度、芯层厚度、芯层相对密度、炸药当量、作用距离、曲率对变形模式和失效机制的影响，探讨其能量耗散机理。.2、功能梯度泡沫材料在动载下的动力学行为及应力波传播研究.1)本研究通过分析金属空心球泡沫材料在静态和动态加载下的响应过程发现，当受载面的泡沫密度较大，梯度空心球泡沫能吸收更多的能量从而更好的保护结构。.2)基于Voronoi随机模型，分析了梯度多孔冲击动力学性能，提出了一种确定第二临界速度的新方法。将密度梯度的影响引入了RPPL模型中，可为梯度材料工程应用提供一定理论指导。.3)利用Circle-arc模型分析了多孔材料击动力学性能，发现梯度特性对多孔材料能量吸收有较大的影响，梯度材料不一定具有较好的吸能特性。.4)基于一维应力波传播控制方程，分析了应力波在梯度多孔材料中的传播规律。.3、梯度泡沫夹芯结构在爆炸载荷作用下的动力学行为.采用数值模拟计算、实验和理论分析相结合的的方法系统地研究了爆炸荷载作用下梯度夹芯结构（球壳、柱壳、方板）的变形失效模式和塑性动力响应，并与传统非梯度夹芯结构的抗冲击性能做了对比。主要讨论了芯层不同的密度分布对夹芯结构变形失效模式、能量吸收及抗冲击性能的影响。芯层相对密度单调递减的梯度夹芯结构抗冲击性能最佳。.实验发现结构获得的冲量不仅与装药情况紧密相关，而且与结构的几何构型有关；梯度结构的抗爆炸冲击能力优于非梯度夹芯结构，当夹芯板较厚时，这种优势更为明显。对于夹芯柱壳和球壳，当冲击载荷较小时，梯度试件并没有表现出较好的抗冲击能力。随着冲击载荷的增加，梯度试件呈现出更好的抗冲击性能，并且相对密度递减的芯层排列方式具有最佳的抗爆炸冲击性能；相反对于蜂窝夹芯板，当冲击载荷较小时，梯度试件并没具有较好的抗冲击能力。