轻质吸能多孔材料在动态压剪复合加载条件下的力学行为研究

Cellular materials with their high stiffness and strength to weight ratios, as well as the excellent energy absorption capacities, are gaining greater attention in the structural designs of light weight vehicles involving crashworthiness considerations. The existing investigations related to cellular materials focus on the quasi-static behaviors, while, their dynamic behaviors, especially the ones under dynamic combined loading, which is actually the realistic working condition in energy absorption uses, is rarely touched. This situation lies in the difficulties to realize a feasible dynamic multiaxial experiment with stable loading duration and accurate data measurement, which remains a world-wide problem in the area of experimental mechanics.. In this project, we are going to investigate the dynamic behaviors of some typical cellular materials under combined loading based on our newly designed large diameter viscoelastic Rotatable Hopkinson Bar System. The experimental results together with the numerical and theoretical analysis are going to reveal the dynamic response of cellular materials under combined shear-compression, including the localized deformation mechanism, damage revolution and failure modes etc. The unique dynamic strength enhancement of cellular materials under combined loading will be studied carefully and a mechanism based on the deformation details will be proposed. Finally, the yield criterion and a constitutive model involving the effects of loading rate will be established to describe quantitatively the initial buckling and post-buckling behavior as well as the dynamic enhancement effect.

轻质多孔材料以其高比强度和比刚度，以及优异的吸能特性在运输工具的减重及耐撞性设计中获得了重要应用。该类材料在静态加载条件下的力学行为已获得充分研究，然而对于动态加载的研究十分有限，尤其是更接近冲击吸能真实工况的动态复合加载条件下力学行为的研究基本空白。造成这一现状的主要原因是缺乏一种加载稳定，测试精确的动态复合加载技术，这也是当前固体力学实验技术领域中的一个难点。本项目基于全新设计的大直径、粘弹性、可旋转Hopkinson杆压剪复合加载系统，从实验测试、数值计算和理论分析三方面入手，揭示多孔材料在动态压剪复合加载条件下的响应特性、局域化变形机制、损伤破坏规律，以及相对于静态加载的动态强化效应和机理解释，并建立包含冲击速度影响，能够定量描述多孔材料复合加载响应的屈服准则和动态本构。本项目对于弥补多孔材料动态复合加载响应研究的欠缺，指导该类材料在运输工具结构耐撞性设计中的应用具有重要的意义。

先进运输工具在结构设计上不仅要具备轻质的特点，也要考虑耐撞性设计，这对于提升运输经济性，保证结构安全具有举足轻重的作用。轻质多孔材料兼具高的比强度和比刚度，同时具有优异的吸能特性，使得其在航空航天飞行器、高速列车以及汽车车体的耐撞性结构设计中获得了广泛应用。对该类材料在复杂冲击载荷下的大变形力学响应研究是理解其在真实撞击过程中的吸能特性、更好地用于吸能元件设计的基础。. 本项目针对材料动态复合加载这一固体力学实验技术领域的难题展开研究，发展了一套基于大直径粘弹性可旋转Hopkinson杆的多孔材料动态压剪复合加载实验方法，并对该套装置的可行性和测试精度进行了验证和评估。借助于该旋转Hopkinson杆装置和改进的MTS试验机，本项目对铝蜂窝、XPS泡沫、波纹板夹芯结构、3D打印聚合物泡沫和蜂窝的动静态压剪复合加载响应进行了深入研究，获得了这些材料在不同压剪复合加载状态下的应力/位移曲线、变形模式、损伤失效机理和动态强化规律。此外，针对波纹板多层梯度结构，以及3D打印梯度泡沫材料的动态力学响应进行了深入的实验和数值研究，研究了波纹板多层结构的组合形式、梯度分布，以及泡沫材料相对密度、胞元规则度和密度梯度分布等对该类材料/结构变形模式和吸能特性的影响。最后，基于实验和仿真分析的结果建立了各类多孔材料在不同加载速率下的初始屈服和后继屈服包线，以及可描述梯度和加载速率影响的泡沫材料动态本构模型。. 以上研究成果对于深入理解轻质多孔材料的吸能特性，更好指导其作为运输工具结构抗撞击吸能元件设计奠定了基础。