多孔材料及结构内应力波传播特性的研究

Based on the stress wave theory, the stress wave (elastic-plastic wave and shock wave) propagation in cellular materials and structures is investigated by adopting macro/micro coupling multi-scale analysis method. Through the theoretical and numerical analysis, as well as the experimental verification, the stress wave theory in cellular materials and structures is complemented. By considering the stress wave effect, the relation between the local dynamic stress evolution and their macro-responses is clarified with the aim to explore the effective strategy in the dynamic design of sandwich structures with cellular cores. This project will provide efficient theoretical guidance and reliable numerical simulation means for the light-weight design of vehicles, anti vibration design of aerospace, as well as the improvement of the dynamic experimental techniques in the dynamic tests of cellular materials. Moreover, this project is also a useful exploration in the multi-scale modeling and simulation of the dynamic behavior of cellular materials and structures.

从结构中应力波传播的角度出发，基于多孔介质材料o结构的耦合响应特性，采用宏观/微观相结合的跨尺度力学分析方法，通过理论分析和数值模拟，并与实验结果相互验证，研究冲击载荷作用下，多孔材料内应力波（弹塑性应力波和冲击波）的产生，传播和衰减规律，建立和完善多孔材料及结构中的应力波理论。在此基础上，考虑应力波传播效应，澄清多孔材料局部动应力演化及变形机制与其宏观动力响应间的关系，探索实现多孔夹芯结构冲击动力响应优化设计的有效途径。该项目的研究可为机车的轻量化，航空航天器的冲击减震，以及多孔材料的冲击实验设计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，本项目的实施也是在多孔材料跨尺度动力学模型和数值模拟方面的有益探索。

本项目的研究目标是澄清计及应力波效应时， 局部动应力演化和变形机制与材料宏观动力响应间的关系，建立多孔结构主要材料和微拓扑结构参数与其宏观动力响应间的关系，发展和完善适宜于多孔材料动力学性能研究的分析方法和计算程序，以期为多孔材料的动力学理论和实验设计，以及多功能集成提供理论依据和可靠的数值模拟手段。到目前为止，本项目组按照研究计划，完成了对基本构件内弹塑性变形规律以及其动力屈曲等行为的研究，提出了I-II型组合吸能单元；考虑外载尺度和多孔材料微结构尺度对应力波传播特性的影响，应用弯矩-膜力联合作用的广义屈服条件和能量耗散平衡理论，考虑芯层的实时动应力演化特征，建立了考虑爆炸载荷作用下三明治梁的动态塑性屈服条件；提出了具有芯材梯度的三明治梁模型，建立了考虑分层几何或物理非对称三明治梁的屈服条件；借鉴分形的概念，研究了分形及分级周期多孔结构内的应力波频特性，并基于BIOS方法，建立了周期孔隙结构的优化算法。在完成既定研究目的的基础上，开展了软材料材料及结构内应力波的传播特性及结构振动特性。这些研究成果对于新型泡沫材料及结构的设计和使用提供了理论依据。