功能梯度泡沫材料缓冲吸能特性及优化设计研究

功能梯度材料是应高技术发展需求,满足材料在极端环境下工作而开发的一种新型材料。通过使材料几何/物理参数连续梯度变化，最大限度地改善材料的性能和效率。近几年，功能梯度的概念被推广应用于泡沫材料，并且关于功能梯度泡沫材料的研究正在兴起，成为日益关注的热门课题。本项目将通过实验与数值模拟手段研究和优化功能梯度泡沫材料的缓冲吸能特性。首先基于理论与实验分析，建立功能梯度泡沫材料的本构模型。然后，通过数值分析和实验研究，分析梯度介质中应力波的传播和能量吸收机理，掌握功能梯度泡沫材料在冲击载荷下的能量吸收行为特征，以及材料梯度变化规律与宏观力学性能之间的关系，获得提高功能梯度泡沫材料缓冲吸能特性的途径，为功能梯度泡沫材料的抗冲击优化设计、开发和工程应用提供依据。最后，针对飞机结构常用的典型吸能元件，优化设计泡沫材料的梯度变量，最大限度地改善结构的缓冲吸能效率，从而提高结构的安全可靠性。

功能梯度材料是应高技术发展需求,满足材料在极端环境下工作而开发的一种新型材料。近几年，功能梯度的概念被推广应用于泡沫材料，并且关于功能梯度泡沫材料的研究正在兴起，成为日益关注的热门课题。..本项目通过实验与数值模拟手段，针对胞元的微观几何尺寸或材料密度按设定方式连续变化的功能梯度泡沫材料，研究和优化功能梯度泡沫材料的缓冲吸能特性。首先开展了多孔材料的霍普金森压杆动态性能测试与数据采集分析技术研究，探索了粘弹性霍普金森压杆中应力波的衰减、弥散预报和修正，克服了被测软材料的低波阻抗导致的测试信号微弱，以及所需加载脉冲宽的问题。接着选具有不同孔隙率、不同密度的均匀泡沫材料，包括孔隙率大于70%的泡沫铝材料，和中等密度的韧性多孔铁材料（孔隙率10%至70%），在应变率变化为102s-1--104s-1的范围内，用改进的SHPB实验技术完成软材料在冲击环境下的性能测试，开展了具有不同孔隙率的多孔材料在不同应变率下的动态特性研究，研究应变率及孔隙率对材料的屈服强度、承载能力及能量吸收性能的影响。基于理论与实验分析，研究了功能梯度泡沫材料的本构模型。分析梯度介质中应力波的传播和能量吸收机理，掌握功能梯度泡沫材料在冲击载荷下的能量吸收行为特征，以及材料梯度变化规律与宏观力学性能之间的关系，为功能梯度泡沫材料的抗冲击优化设计、开发和工程应用提供依据。除此之外，本项目通过数值分析方法，更深入地研究了多孔材料在冲击载荷下的行为，并通过试验结果验证了数值建模及分析的有效性。最后，针对飞机结构常用的典型吸能元件，优化设计泡沫材料的梯度变量，最大限度地改善结构的缓冲吸能效率，从而提高结构的安全可靠性。..通过本项目对功能梯度泡沫材料缓冲吸能特性及优化设计研究，得到了许多有益的成果，有本课题资助的论文共21，其中SCI收录文章11篇，EI收录文章12篇。除此之外，作者和余同希教授专著《工程塑性力学》也由高教出版社出版发行。