强动载下分层梯度泡沫金属宏细观力学性能与损伤破坏机理

It is focused on the mechanics and deformation mechanism of layered graded metallic foam under intense dynamic loadings, such as low-velocity impact, high-velocity impact and blast. It will be studied for the dynamic response and failure pattern of metallic foam using experimental, theoretical and numerical methods. Firstly, the three-dimensional mesoscopic model of layered graded metallic foam based on the CT (Computed Tomography) technology will be set up and used in the mesoscopic deformation analysis. Studies will be conducted to reveal the effects of mesoscopic deformation on macroscopic mechanics. The impact response of the sandwich structure with layered graded metallic foam core will be investigated. The energy absorption capability and mechanism will be discussed. Based on the one-dimensional stress wave theory, the analytical model of metallic foam will be set up and used in the analysis of the stress wave propagation of layered graded metallic foam. Discussions on the deformation and mechanics will be conducted. Furthermore, the dynamic response under high-velocity impact and blast loading will be studied and compared with that under impact loading. The relationship between mesoscopic deformation and macroscopic mechanics will be discussed. The results will give insights into the mechanical properties of metallic foam under intense dynamic loading.

当前抗爆结构中分层梯度泡沫金属力学性能研究尚不充分，本项目拟采用理论分析、试验研究与数值模拟相结合的方法，深入探讨泡沫金属材料在低速冲击、高速冲击以及爆炸荷载等条件下的动态响应和变形机理。首先，研究建立基于CT扫描技术的分层梯度泡沫金属三维细观分析模型，研究动载下材料的细观变形模式，揭示其对宏观力学性能与能量吸收特性的影响规律；在此基础上，采用试验方法研究分层梯度闭孔泡沫夹心结构的抗低速冲击性能，重点探讨其动态能量吸收特性，并基于一维应力波理论建立分层梯度泡沫金属的分析模型，研究分层梯度泡沫金属中应力波传播机理及材料变形模式，揭示材料宏观力学性能的影响因素及其规律；同时，进一步研究高速冲击及爆炸荷载下的力学性能，重点对不同应变率下的材料动态响应机理及其在结构防护中的作用机理进行探讨。本项目的研究，对于揭示强动载下泡沫金属的力学性能特点、发展相关结构防护技术具有基础性支撑作用。

本项目针对爆炸冲击等强动载下分层梯度泡沫金属的动态力学性能，采用理论、试验及数值模拟研究方法，从分层梯度泡沫金属动态力学性能、细观损伤破坏机理和防护性能几个方面，开展了大量的研究工作，具体来说包括如下四个方面的内容，一是提出了基于CT扫描技术的泡沫铝三维细观建模技术，建立了精细化的泡沫金属三维细观模型，系统的分析了泡沫金属的细观特性分布规律；二是基于一维应力波传播理论，建立了分层梯度泡沫金属材料中波的传播和衰减规律，给出了泡沫金属密度梯度分布对动态力学性能的影响规律；三是基于CT扫描图像，建立了泡沫金属三维细观有限元数值模型，开展了冲击荷载下泡沫金属力学性能与细观损伤破坏机理的模拟分析和研究；四是建立了分层梯度泡沫金属三维细观有限元数值模型，深入分析了梯度分布对能量吸收和应力波衰减的影响，探讨了细观变形机理与宏观力学性能之间的关系。项目研究成果为开展要应变率下泡沫金属材料的动态力学性能，提供了新的方法和手段，成果对于提高重要工程和设备的安全防护，具有重要的意义和价值。研究成果发表学术论文8篇，其中SCI收录7篇、EI收录1篇，获批软件著作权2项、受理发明专利1项。