含密度梯度的多层金属点阵材料冲击性能研究

As reported that the functionally graded design of cellular materials provided higher energy-absorption capacity and better protective effect, this conception is thus introduced to the multilayered lattice materials in this proposal, where the dynamic responses of the graded density multilayered lattice materials are comprehensively studied with various methods including experiment, numeric simulation and theoretical analysis. To study the mechanical responses and the deforming models and even explore the influence of density gradient on them, the quasi-static, intermediate speed and high speed impact tests are performed firstly. On the basis of the experimental results, the numeric model is created. It is used to validate the experiments and extend the real experimental conditions to the cases of wider loading speed range and more complicated density gradients. With these virtual experiments, the more detailed relationship between the mechanical properties and the density gradient can be obtained. At last, based on the experiments and numerical simulations, the theoretical model of shock front propagation in the graded density multilayered lattice materials is established, and the condition of the formation of shock front and the influence of density gradient are therefore investigated, such as the formation of the multi shock front structures. With these researches, this proposal is finally focused on the optimization of density gradients in energy-absorption capacity and then provides a design guide in the manufacture of cellular materials.

研究表明，功能梯度多孔材料的设计有利于提高材料的吸能能力和防护效果。本项目将功能梯度的构想运用到多层点阵材料的设计当中，并对含密度梯度的多层点阵材料在冲击加载条件下的力学行为进行实验、数值和理论方面的综合研究。首先通过准静态、中低速冲击和高速冲击实验，测试材料的力学反应、观察芯体的变形模态以及探索密度梯度对材料性能的影响。再在实验数据的基础上，建立数值模型，对实验结果进行验证，并将实验条件推广到更广速度范围和更复杂密度梯度的情况，对材料深入广泛的研究，得到详尽的材料性质随速度和密度梯度的变化关系。在实验和数值模拟的基础上，建立冲击波在含密度梯度的多层点阵材料中的传播模型。以此研究冲击波产生的条件以及密度梯度对冲击波传播的影响，如多播结构的产生、发展和相互作用。本项目将最终着眼于建立关于密度梯度的吸能防护能力优化模型，以指导材料的制造设计。

本项目主要研究了梯度多孔材料的抗冲击力学性能。针对大尺寸试样动态大变形的测试，运用霍普金森杆直接撞击法、两点应变片波的分离技术、高速摄影及数字图像技术，设计了一套近似恒定速度冲击加载下获得材料从屈服到压实的全应力应变曲线的实验方法，最大应变可达到80%。应用此方法，得到了相对密度在10%到20%之间的多孔金属铝的全应力应变曲线。结果表明，密度越大的多孔泡沫铝其塑性强化效果越强。在现有霍普金森杆杆的基础上进行改造，具备了将Φ60×100mm试样发射到160m/s以上速度的能力，并设计了脱壳实验装置，能够将弹托全部挡住不跟随试样撞击到压杆上。在此基础上进行了实验，得到了多孔泡沫铝的典型应力时间曲线。结果发现，初速度低于100m/s时，应力时间曲线近似为一个平台并且不同速度的结果应力值重合的比较好，当初始速度大于100m/s时，应力时间曲线是一条下降曲线，撞击初期应力值很高，随着时间的增加，应力逐渐减小。结合一维冲击波理论分析，发展了实验获取多孔材料冲击波参数的方法，即通过压杆测量波后应力时程曲线，DIC获取试样的冲击时程曲线，从而得到σ_d~V实验曲线，再按理论拟合σ_d~V实验曲线即可得到材料的两个冲击波参数：C_0和λ。该方法可以用一次实验结果得到材料的冲击波参数。另外根据梯度材料理念设计制备了梯度波纹板夹层结构C3456和C6543，其中结构中的梯度分布是通过改变夹层中的胞元数目来实现，使用霍普金森杆直接撞击法对梯度夹层结构C3456和C6543分别进行加载（9m/s）。结果显示，在低速撞击下结构中的梯度分布对结构响应基本无影响。同时，使用Taylor-Hopkinson杆实验技术对梯度结构C6543进行加载。对比两种加载方式（霍普金森杆直接撞击法和Taylor-Hopkinson杆法）得到的试样两端的载荷可知，在9m/s的加载速度下，试样处于平衡状态。对梯度结构C6543进行38m/s冲击速度加载，结果表明，结构首先从加载端开始破坏，然后从试样两侧向中间破坏此时，结构中的梯度分布对变形模式有一定影响。另外通过数值模拟重现并拓展了对梯度波纹板变形机理的分析。