《泡沫金屬衝擊回響的率敏感效應和微結構效應》是依託中國科學技術大學，由鄭志軍擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：泡沫金屬衝擊回響的率敏感效應和微結構效應
- 項目類別：青年科學基金項目
- 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
快速運載交通工具和軍事防禦工程都對衝擊吸能提出了更高的要求，泡沫金屬作為新型高性能吸能材料，其在強動載荷作用下的動力學回響及其微觀變形機理已成為迫切需要解決的關鍵問題。但實驗研究對泡沫金屬是否存在應變率效應存在一些矛盾的結論，並發現閉孔泡沫金屬動態塑性泊松比存在異常行為，因而亟需發展數值實驗方法。本項目將通過理論分析和數值模擬相結合的方法，發展基於精緻的本構關係的衝擊波模型和基於Voronoi技術的細觀有限元模型等兩類泡沫材料動態壓潰模型，著重探討閉孔泡沫金屬衝擊回響的率敏感效應和微結構效應，揭示微結構動態變形機制和應力波傳播機理，並建立胞孔局部應力、應變和應變率的計算方法、泡沫材料率敏感性的分析方法和微結構最佳化設計方法。該課題的研究將為泡沫材料動態力學分析提供新技術和新方法，為泡沫金屬在汽車、高速列車、航空航天、近空間和軍事工業等領域的套用提供理論依據和技術支持。
結題摘要
泡沫金屬作為新型輕質多胞材料，可用於吸收衝擊能量，但關於其動態行為的認識還存在諸多爭議。本項目採用理論分析和數值仿真相結合的方法，發展了兩類動態壓潰模型，深入研究了泡沫金屬動態行為的率敏感性機理和細觀結構效應，取得了預期的研究成果。 (1) 基於三維Voronoi 技術，建立了閉孔泡沫和開孔泡沫的細觀有限元模型；基於局部最優變形梯度張量，發展了多胞材料局部應變場計算方法；通過引入應力均勻性指標和變形局部化指標，量化了三種變形模式之間的兩個臨界速度。 (2) 基於剛性-線性硬化塑性-鎖定的理想體，建立了適用於中等衝擊速度的轉變模式模型和適用於較高衝擊速度的衝擊模式模型；基於剛性-任意塑性硬化的理想體，建立了具有統一框架的一維塑性衝擊波模型，並套用於剛性-冪次硬化的泡沫材料；針對直接衝擊和反式衝擊等衝擊情形，獲得了（半）顯式的解析解，並與實驗和數值模擬結果進行了比較。 (3) 通過細觀有限元模擬，計算了泡沫金屬的動態泊松比，解釋了前期的實驗現象；結合細觀有限元模型和衝擊波模型，發現了一種多胞材料特有的率敏感性行為，即動態應力-應變狀態偏離準靜態應力-應變曲線，並揭示了其機理是細觀變形模式對載入速率的依賴性。 (4) 基於細觀有限元模型，探討了胞元不規則性、隨機壁厚分布、相對密度和基體材料性質等對變形模式、臨界速度和平台應力等的影響，提出了梯度多胞材料和多胞包層結構等輕質耐撞性結構的最佳化設計方法。 本課題的研究為泡沫材料動態力學分析提供了新技術和新方法，並為泡沫金屬在汽車、高速列車、航空航天、近空間和軍事工業等領域的套用提供了理論依據和技術支持。
