静动态载荷下三周期极小曲面多孔结构响应特性研究

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多孔结构材料因其具有结构重量低、比强度及比刚度高和良好的能量耗散能力,被广泛应用在船舶、航空航天、生物医疗等领域。极小曲面结构作为一种新型的多孔材料,在结构减重、结构抗冲击等众多领域的表现越来越受到人们的关注。因此,研究极小曲面多孔结构在静态压缩下的力学性能及其抵抗冲击载荷的能力具有十分重要的意义。本文的主要研究工作如下:(1)以4种典型三周期极小曲面为研究对象,设计并通过增材制造技术制备了12个极小曲面多孔结构试样,采用压缩实验装置研究了它们在单轴静态压缩下的力学性能。利用重复性研究验证了增材制造设备和实验装置的可靠性,通过对应力应变曲线和结构变形模式的分析,探讨了胞元尺寸、极小曲面结构形式和密度梯度等结构参数对极小曲面多孔结构静态压缩下的力学性能的影响。结果表明,I-WP曲面结构在静态压缩下的力学性能在所有曲面拓扑形式中最优。对极小曲面结构进行合理的梯度设置可以有效改善结构受初始断裂的影响,降低结构的初始峰值应力。(2)构建了准静态加载下三周期极小曲面多孔结构有限元数值模型,通过有限元软件ABAQUS研究了三周期极小曲面多孔结构在准静态压缩下的力学性能。利用实验结果验证了有限元模型的合理性和可靠性,在实验的基础上进一步研究了相对密度、极小曲面拓扑形式和密度梯度的变化范围对极小曲面结构力学性能的影响。结果表明,相对密度的增加使极小曲面结构获得了更高的结构强度和能量耗散能力。梯度结构在高应变水平下比非梯度结构拥有更高的结构强度和更强的能量耗散能力,增大密度梯度的变化范围能够进一步增强梯度结构的优势。(3)构建了冲击载荷下三周期极小曲面多孔结构有限元数值模型,研究了在不同加载速度、不同极小曲面拓扑形式和不同密度梯度下的极小曲面多孔结构的动响应特性,并引入Voronoi多孔泡沫结构,对比分析了极小曲面多孔结构与Voronoi多孔泡沫结构在冲击载荷下的动响应特性。结果表明,在冲击载荷作用下,极小曲面结构在固定端的应力水平明显低于冲击端,这表明其作为一种抗冲击材料可以降低冲击载荷的影响,有效保护后部的结构。与Voronoi泡沫结构相比,三种密度梯度设置下的Diamond曲面模型及非梯度的I-WP模型的能量耗散能力优于Voronoi泡沫结构,其余极小曲面模型的能量耗散能力均弱于Voronoi泡沫结构。本文研究工作对深入理解和掌握静态/准静态压缩载荷和冲击载荷下三周期极小曲面多孔结构响应特性和失效机理提供了有益的参考,对该类结构在舰船上的潜在应用提供了技术支撑。
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