层级材料结构的多尺度设计方法及其耐撞性研究

Previous studies on thin-walled energy absorbers are primarily focused on different cell configurations and the use of metallic foam fillers. The crashworthiness of these structures has been extensively explored, and their maximum structural efficacy has been well understood. To develop next generation of lightweight engineering products that meet transportation safety regulations, it is critical to study ultralight materials and structures (low carbon emission) with superior energy absorption characteristics in crashworthiness design field of modern transportation. Therefore, the project proposes a novel bio-inspired design method of hierarchical materials and structures based on excellent multi-functional properties and typological configurations of nature biomaterials. High-fidelity multi-scale numerical models are established to quantize hierarchical materials and structures of biomaterials, adopting nondestructive scanning technology and homogenization finite element method. Next, the project investigates geometric feature parameters and effective material properties in relation to key crashworthiness indicators. Further, we optimize geometric feature parameters and effective material properties to obtain best crashworthiness performance. Notably, the project prototypes the hierarchical materials and structures with rapid additive manufacturing technology and conducts subsequent experiment test to validate and improve multi-scale models of the hierarchical materials and structures. Lastly, the project studies self-similar and non-self-similar factual design strategies, and constructs engineering energy absorbers with hierarchical characteristics and investigates the crashworthiness mechanism. In summary, the project expects to establish a novel design strategy for hierarchical materials and structures.

传统工程吸能结构的研究主要集中于不同胞元构形与泡沫填充的薄壁结构，但其吸能性已被充分探索且接近上限。为进一步满足工程产品轻量化设计及提高安全性的要求，超轻(低能耗)、高吸能性材料结构的研究已成为现代交通工具耐撞性设计领域迫切需要解决的关键问题。因此，本研究以具有多功能特性的自然界生物材料的拓扑结构为基础，提出一种新颖的层级材料结构仿生设计方法；采用无损成像技术及均质化有限方法，建立生物层级材料结构的高保真多尺度数值模型；研究多尺度层级材料结构的特征参数与材料模型及耐撞性指标的映射关系，探索具有最优几何特征参数与材料性能的层级材料结构；采用数字化增材技术与实验方法对层级材料结构进行快速制造与测试，验证并完善层级材料结构的多尺度模型。最后，研究自相似与非自相似的几何分形准则，形成具有层级材料特性的工程吸能结构并探索其耐撞性机理，以此形成一种新颖的层级材料结构的多尺度设计体系。

在“安全、节能、环保”三大汽车发展主题的驱动下，合理设计出满足安全性与轻量化要求的高效的缓冲吸能结构已成为现代交通工具耐撞性设计领域迫切需要解决的关键问题。然而，传统多胞与泡沫填充吸能结构的防护力学性能已被充分认知，导致传统材料与结构在设计超轻、高吸能性防护结构方面陷入瓶颈。因此，项目已生物材料的多功能性与层级分布特性为基础，提出一种新颖的层级材料与结构的仿生设计方法。研究了自然界中具有轻质及承载特性的典型生物材料的层级分布规律，提取其在不同尺度下的典型微观结构。研究微细结构与宏观材料模型间的映射方法，建立具有高保真度的层级材料与结构的数值模型。研究层级材料与结构的几何特征、材料特性与耐撞性指标之间的映射关系，揭示层级材料基本力学特性与其几何与材料参数间的内在联系。研究层级材料与结构的几何分形拓扑设计，实现以力学特性为基础的层级材料与结构的重构。采用数字化增材制造技术对不同构形的层级材料与结构进行快速制备，开展成形层级材料与结构的力学性能测试与分析，并以此来验证与完善层级材料结构的建模方法，形成层级材料与结构的制备与测试体系。探索层级材料与结构在工程防护结构领域的应用，研究层级材料与结构的在不同工况下的面内与面外力学特性，建立层级材料与结构耐撞性的理论与数值模型，从变形模式、屈服特性及惯性效应等方面来研究并揭示了层级材料与结构的耐撞及吸能性机理。相关研究结果表明，层级材料与结构比非层级材料与结构在能量吸收与承载特性上具有明显的优势，项目提出的仿生层级方法为设计具有优异耐撞性的轻质材料与结构提供了一种新颖的、前沿性的思路，具有较好的理论意义与广阔的应用前景。