智能多胞材料的能量吸收机理及可控性设计方法

Cellular materials and structures have been widely used in all kinds of engineering energy absorption fields because of their excellent dynamic response characteristics. How to establish the link between cell micro-structure and macro-dynamic responses, improve the structure crashworthiness, and realize the intelligent absorbed energy design of microstructure of cellular material is always the frontier. Based on the cell multi-level microstructure features and the dynamic nonlinear coupled response characteristics of cellular matrix material/structure and pore/solid phases, nonlinear multi-scale/multi-level mechanical models in order to reflect the dynamic responses of cellular materials are accurately established by adopting the combined method of macro and micro models. Through theoretical analysis and numerical simulation, and verified by the corresponding experimented results, the macro and micro dynamic damage mechanism, the stress transfer at the interface and energy dissipation rules of cellular materials under impulsive loading will be investigated in this project. Then the intrinsic relations between cell microstructure parameters or pore phase parameters and macro-dynamic responses will be obtained. According to the results mentioned above, considering the microstructure and the characteristic of matrix/pore phase materials, along with the introduction of control components, the effective approach to solve energy absorbed controllability of intelligent cellular materials and structures will be further explored.

由于具有优异的动力学响应特性，多胞材料与结构在众多能量吸收领域得到广泛的应用。如何建立微观结构与材料宏观冲击响应间的关系，并对结构的耐撞性进行一体化设计，进而实现能量吸收的智能化，一直是多胞材料动力学性能研究的前沿课题。基于多胞材料与结构、孔隙相与固体骨架间非线性动态耦合响应的特性以及胞元的多层级性结构特征，本项目拟采用宏/微观相结合的多尺度分析方法，从冲击动力学角度出发，建立准确反映多胞材料动力学响应特性的多尺度/多层次精细力学模型。以理论分析和数值模拟为重点，并结合相应的实验分析，研究冲击载荷下多胞材料宏/微观结构的动态损伤机理、界面应力传递和能量耗散规律，建立微结构特征和孔隙相参数与多胞材料宏观冲击响应间的关系。在此基础上，从微观结构及结构多层级性出发，结合基体和孔隙相材料的特性以及控制元件的引入，进一步探索解决智能多胞材料能量吸收可控性自适应设计难题的有效途径。

由于具有低密度、优异的动力学响应特性和微结构可设计强等优势，多胞材料在众多工程领域得到广泛的应用。本项目基于多胞材料与结构、空隙相与固体骨架间非线性动态耦合响应的特性以及胞元的多层级结构特征，采用宏观与微观相结合的分析方法，建立了准确反映多胞材料动力学响应特性的多尺度/多层次精细力学模型。通过理论分析和数值模拟，并结合相应的实验验证，具体研究了冲击载荷作用下多胞材料宏/微观结构的动态损伤机理、界面应力传递和能量耗散规律，建立了微结构特征与多胞材料宏观动力学响应间的关系。在此基础上，通过改变胞元微结构及结构多层级性，对多胞材料进行智能化设计，得到了智能多胞材料能量吸收可控性设计的新方法。.经过三年的努力，课题组圆满完成了项目计划书中各项研究内容，得到如下研究结果：（1）建立了不同尺度/不同层次上微结构与智能多胞吸能材料宏观动力学响应间的内在关联性；（2）建立了微结构关键参数与智能多胞材料塑性能量耗散规律间的关系；（3）基于微观结构及结构多层级性对多胞材料宏/微观动力学响应特性的研究，通过改变胞元微结构，得到了智能多胞材料能量吸收可控性设计的新方法。通过本项目的研究，取得了一系列研究成果，在国内外刊物上发表论文9篇，其中SCI收录4篇，EI收录3篇；授权发明专利1项，公开发明专利1项；翻译国外著作（有限元方法编程）1部；参加国内外学术会议4次。在该项目的基础上，获批了河北省自然科学基金项目1项。此外，还获得国家留学基金委的资助，在阿尔伯特大学做了1年的访学研究。.本项目的研究可为汽车的轻量化方案的制定，航空航天器抗冲击和减震性能的研究，以及降低汽车及飞行器的设计成本，节能和环保等方面提供有效的理论依据和可靠的数值模拟手段。其研究成果将为实现多胞材料与结构能量吸收的智能化设计，能量吸收的可控性自适应设计，多胞材料动力学性能的多目标优化设计及其在众多工程领域的应用提供重要的参考价值。