多孔材料波传播实验及细观构型对其冲击动力学行为影响

Due to the strong designability of the mesostructures, porous materials have received considerable research attention. However, the typical feature of deformation localization under impact loading limits the application of traditional impact experiments to porous materials. The wave propagation method has a unique advantage in the study of the dynamic mechanical behavior of heterogeneous materials. It is a method that the dynamic stress-strain relationship is deduced directly from the wave propagation information on the material in the process of deformation and the universal conservation equations. In this project, the Taylor-Hopkinson impact experimental platform will be developed to carry out the one-dimensional stress wave propagation experimental study of porous materials. A new Lagrangian analysis method with self-consistency verification, which is one of wave propagation methods, will be used to obtain the local stress and strain history curves, to further summarize the dynamic stress-strain curve of porous materials. With the aid of 3D printing technology, the project will produce porous materials with typical mesostructure configurations, and further discuss the effects of mesostructure configurations on the deformation mechanism, the stress wave propagation law and the macroscopic impact behavior of porous materials, and finally provide a mesostructure design scheme to optimize the anti-impact behavior of porous materials. The research results of this project can provide technical and theoretical supports for the impact design of future porous materials, which have strong scientific significance and engineering application background.

多孔材料由于细观结构的可设计性受到了广泛的研究关注，但其变形局部化的冲击行为特征使得传统的冲击实验研究受到了限制，而波传播法在研究非均质材料动态力学行为时具有独特的优势，它是直接通过材料在变形过程中的波传播信息结合普适的守恒方程反推材料动态应力-应变关系的一种方法。本项目拟建立Taylor-Hopkinson冲击实验平台，开展多孔介质材料中的一维应力波传播实验，采用带自洽性检验的新型拉格朗日分析方法（波传播法），获取试件局部各个物质点的应力和变形历史曲线，得到材料的动态应力-应变关系；进一步结合3D金属打印技术制备具有典型细观结构的多孔材料，探讨细观构型对多孔材料变形机理、应力波传播规律及宏观冲击力学行为的影响，提出优化材料抗冲击力学行为的细观设计方案。研究成果为未来多孔材料的抗冲击优化设计提供技术支持和理论依托，具有重要的科学意义和工程应用背景。

多孔材料因其细观结构的可设计性展现出优良的宏观物理和力学性能，成为了一种集轻质、高比吸能、高比刚度等功能于一体的多功能材料。但正是由于细观结构的存在，导致其动态力学性能难以通过常规的实验手段获得。本项目旨在发展并通过波传播反分析法研究多孔材料的动态力学行为，探索控制多孔材料宏观性能的细观结构模型。主要完成的工作包括：建立了带有自洽性检验的拉格朗日分析方法，并通过聚合物材料的动态压缩实验结合DIC技术实现了新型拉格朗日分析方法的有效性和自洽性的验证。结合多孔材料的Taylor冲击虚拟实验，基于拉格朗日分析方法获得了多孔材料的动态应力-应变状态曲线，从而发现了多孔材料的动态压实应变随着相对密度的提高而增加，动态塑性平台随着相对密度的提高而提高，揭示了多孔材料存在着明显的应变率效应。基于多孔材料的波传播规律与相对密度的相关性，提出了梯度多孔材料在抗冲击和防爆炸领域的密度梯度设计方案。在SHPB实验装置基础上搭建了Taylor-Hopkinson压杆实验平台，结合轻质泡沫铝材料开展了Taylor-Hopkinson实验，通过超高速摄影仪记录了泡沫铝材料的动态变形过程，结果表明泡沫铝材料在高速冲击下呈现逐层压溃的变形模式。基于3D打印技术和拓扑优化技术，设计并制造了含有特殊细观结构的多孔材料模型，通过MTS和高速拉伸机对其力学行为研究，获得了该种多孔结构在不同结构参数和加载应变率下的变形模式、应力应变行为以及破坏模式等行为。项目研究结果对多孔材料的波传播行为研究及细观结构设计具有重要的推动作用，能为多孔材料的深度优化设计提供技术支持和理论依托。