《泡沫金屬的多軸載入行為、本構模型和多尺度最佳化》是依託中國科學技術大學，由鄭志軍擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：泡沫金屬的多軸載入行為、本構模型和多尺度最佳化
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：鄭志軍
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
泡沫金屬作為高性能吸能材料吸引了廣泛的研究興趣，但現有工作主要集中在對其單軸載入行為的研究。然而，泡沫金屬在實際套用中常常遭受到複雜載荷的作用，而且由於泡沫金屬的可壓縮性，僅僅了解其單軸行為並不足以描述其本構特性，因此迫切需要認識其在多軸載入下的力學行為。此外，泡沫金屬具有高孔隙率的特點，可設計性強，還存在很大的學術研究空間，有可能根據功能和性能的需要對其細觀結構進行最佳化設計。本項目針對泡沫金屬的多軸載入問題，以認識力學行為- - 發展本構模型- - 提出最佳化方法為主線，採用細觀有限元模擬、理論分析和實驗研究相結合的方法，探討泡沫金屬在多軸載入下的巨觀力學行為和細觀變形機制，建立實用的本構模型，並根據細觀變形機制指導泡沫金屬細觀結構的最佳化設計，根據抗衝擊吸能的要求指導梯度泡沫金屬的最佳化設計，探討從細觀到巨觀的多尺度最佳化設計原理。該課題的研究對超輕質材料的工程套用和多學科交叉發展均具有重要意義。
結題摘要
泡沫金屬在實際套用中常常遭受到複雜載荷的作用，亟需認識其在多軸載入下的力學行為和耐撞性設計方法。本項目以數值模擬、理論分析和實驗研究相結合的研究手段，深入探討了泡沫金屬的多軸載入行為、動靜態本構模型和耐撞性設計方法，取得了預期的研究成果。 (1) 建立了一系列細觀有限元模型，使之可以描述隨機蜂窩、閉孔泡沫、開孔泡沫、梯度多胞結構等多種構型的動態壓潰；發展了多胞材料局部應變場計算方法，探討了應變的局部性和準確性，提出了截斷半徑的最佳化選取方案；建立了隨機蜂窩或梯度蜂窩的截面應力計算方法，獲得了動態壓縮下的應力分布。 (2) 提出了結合細觀有限元模型和塑性衝擊波模型或應力波傳播模型的多尺度分析方法，獲得了多胞金屬的動態應力-應變關係，發現了壓實區應力-應變狀態的衝擊速率敏感性和初始壓潰應力的應變率敏感性，揭示了多胞金屬率敏感性機理和能量吸收機理。 (3) 開展了閉孔泡沫金屬在單軸、雙軸、三軸和複合剪下壓縮載入下的數值模擬研究，分析了變形特徵、特徵應力和特徵應變等信息，探討了橢圓屈服準則的適用性，通過考慮塑性泊松比的影響改進了泡沫材料的各向同性本構模型；基於胞元損傷和細觀統計規律，建立了可以描述多胞材料從彈性、初始壓潰、塑性平台到壓實整個過程的巨觀應力-應變關係。 (4) 建立了多胞犧牲層在爆炸載荷作用下的非線性塑性衝擊波模型，獲得了多胞犧牲層臨界長度的漸近解；提出了基於衝擊波模型反向設計密度梯度多胞結構的耐撞性設計方法，並使用細觀有限元模型證實了該方法的有效性。 相關成果發表在J. Mech. Phys. Solids, Int. J. Impact Eng., Int. J. Solids Struct., Mech. Mater., Mater. Sci. Eng. A, Acta Mech. Sin.等國內外重要期刊上，並形成了以“多胞材料動態壓潰”為主題的系列論文。該課題的研究為主動設計材料提供新思路，對超輕質材料的工程套用和多學科交叉發展均具有重要意義。
