【摘 要】
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由于具有独特的大变形特性、优异的可设计性以及潜在的多功能集成化优势,拉胀多孔材料在耐撞性结构轻量化设计和能量吸收可调控方面具有巨大的应用潜力。随着对拉胀多孔材料冲击动力学行为研究的进一步深入,发现多孔结构在适应现代高端装备局部冲击、复杂服役环境下安全防护和动力学行为可调控策略等方面仍存在不足。因此,研究冲击载荷下拉胀多孔材料动力学行为的可调控性具有重要意义。本文从冲击动力学角度出发,通过理论分析和
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由于具有独特的大变形特性、优异的可设计性以及潜在的多功能集成化优势,拉胀多孔材料在耐撞性结构轻量化设计和能量吸收可调控方面具有巨大的应用潜力。随着对拉胀多孔材料冲击动力学行为研究的进一步深入,发现多孔结构在适应现代高端装备局部冲击、复杂服役环境下安全防护和动力学行为可调控策略等方面仍存在不足。因此,研究冲击载荷下拉胀多孔材料动力学行为的可调控性具有重要意义。本文从冲击动力学角度出发,通过理论分析和数值模拟相结合的方法,对周期性拉胀多孔结构在冲击载荷下的微结构失效机制和动力学性能可调控策略进行研究。具体研究内容如下:(1)从仿生结构设计出发,通过在传统正方形蜂窝节点处引入弧形结构,提出三种仿生层级蜂窝模型。利用非线性动力有限元方法研究冲击载荷下仿生层级蜂窝结构的动态冲击性能,具体讨论了不同胞元拓扑结构和多材料布局对冲击载荷一致性和比吸能的影响。研究结果表明,冲击速度会影响内凹层级蜂窝的负泊松比效应;通过合理选择胞元拓扑和多材料布局方式,可有效控制并提高冲击载荷一致性和比吸能。此外,还给出了不同仿生层级蜂窝的平台应力半经验公式,该公式能够准确预测冲击过程中仿生层级蜂窝的动态承载力。(2)根据功能梯度材料的概念,提出一种层级梯度拉胀蜂窝结构模型。研究面内冲击载荷下胞元微拓扑结构和梯度排布对梯度负泊松比蜂窝材料的动态变形行为、冲击载荷一致性和能量吸收能力的影响。研究发现,梯度蜂窝的动态泊松比值依赖于冲击速度和蜂窝层的拓扑结构。合理选择蜂窝层的排布方式,可以显著提高梯度拉胀蜂窝的动态平台应力和冲击载荷一致性,并对拉胀结构的比吸能有很好的控制。(3)基于机械超材料的设计理念,结合材料的微结构失效机制和冲击性能增强机理,提出了一种面内增强负泊松比结构。通过建立相同相对密度的面内增强复合蜂窝模型,重点讨论梯度排布方式和微结构参数对复合蜂窝结构平均动态泊松比、变形模式和冲击载荷一致性的影响。面内增强复合蜂窝结构的变形模式和泊松比大小与斜壁倾角、蜂窝层排布方式和冲击速度有关。在冲击端放置斜壁倾角小的蜂窝层可以降低复合蜂窝结构的峰值应力,提高冲击载荷效率,进而改善冲击载荷一致性。此外,还给出了面内增强复合蜂窝的平台应力半经验公式,理论计算结果与有限元结果吻合较好。
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