多胞材料動(dòng)靜態(tài)力學(xué)性能的多尺度分析和表征.pdf

1、多胞材料由于復(fù)雜細(xì)觀結(jié)構(gòu)的存在，呈現(xiàn)出典型的多尺度特征，表現(xiàn)出諸多優(yōu)異的力學(xué)性能，如輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、良好的耐沖擊性能，從而被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空航天及軍事等領(lǐng)域，尤其是用于吸能緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。細(xì)觀結(jié)構(gòu)的多樣性，為實(shí)現(xiàn)多胞材料或多功能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，延拓材料的性能空間，擴(kuò)寬材料的應(yīng)用領(lǐng)域，以及發(fā)展多胞材料的本構(gòu)關(guān)系提供了廣闊的平臺(tái)。然而，多胞材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系尚不明確。本文利用三維細(xì)觀有限元模型和基于速度場(chǎng)分布的分

2、析方法研究了多胞材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)的影響，以期為多胞材料和結(jié)構(gòu)的耐撞性設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
　　基于Voronoi算法構(gòu)建了多胞材料的三維細(xì)觀有限元模型，實(shí)現(xiàn)了細(xì)觀模型生成的模塊化功能，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模板的方法完成了胞壁結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分和優(yōu)化。數(shù)值模擬的結(jié)果表明，多胞材料在準(zhǔn)靜態(tài)下出現(xiàn)隨機(jī)的剪切帶，僅含兩個(gè)材料參數(shù)（壓潰應(yīng)力和應(yīng)變硬化）的率無(wú)關(guān)、剛性塑性硬化模型(R-PH)能夠較好地刻畫(huà)多胞材料在準(zhǔn)靜態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)

3、，并給出了初始?jí)簼?yīng)力和硬化參數(shù)均隨相對(duì)密度呈冪次關(guān)系的變化規(guī)律。在動(dòng)態(tài)沖擊下，多胞材料的變形帶呈逐層壓潰的模式，表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)沖擊波的傳播特征，采用速度場(chǎng)分布的分析方法研究了多胞材料在動(dòng)態(tài)壓潰下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為和沖擊波傳播規(guī)律。通過(guò)對(duì)沖擊波波速與沖擊速度之間漸近行為的考察，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)沖擊速度足夠高時(shí)，沖擊波波速與沖擊速度之間的差值趨于常數(shù)，表現(xiàn)出材料的屬性。運(yùn)用量綱分析的方法確定出對(duì)該動(dòng)態(tài)材料參數(shù)起主導(dǎo)作用的細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和基體材料參數(shù)。進(jìn)一

4、步得到了動(dòng)態(tài)材料參數(shù)和相對(duì)密度之間定量化的關(guān)系并揭示了影響沖擊波傳播的變形機(jī)制?；诼氏嚓P(guān)、剛性-塑性硬化(D-R-PH)沖擊波模型和跨波陣面的質(zhì)量和動(dòng)量守恒，得到了壓潰過(guò)程中單位體積上的比能量吸收表達(dá)形式，揭示了跨波陣面的能量吸收機(jī)制，該機(jī)制可用于指導(dǎo)多胞材料的微結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，表征多胞材料動(dòng)態(tài)硬化的參數(shù)分別獨(dú)立地以近似線性的關(guān)系依賴(lài)于基體材料的硬化參數(shù)、應(yīng)變率硬化參數(shù)和胞內(nèi)氣壓值的變化;動(dòng)態(tài)初始?jí)簼?yīng)力獨(dú)立于胞壁材料的應(yīng)變硬化和

5、胞內(nèi)氣壓，而與應(yīng)變率硬化參數(shù)呈線性變化關(guān)系。
　　考慮多胞材料在動(dòng)態(tài)沖擊下的壓潰帶具有一定的寬度而并非強(qiáng)間斷面狀態(tài)，采用連續(xù)的速度場(chǎng)分布研究了多胞材料局部的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明，多胞材料動(dòng)態(tài)下的壓實(shí)應(yīng)變隨沖擊速度的增加趨近于多胞材料完全密實(shí)所達(dá)到的最大應(yīng)變。在高速?zèng)_擊下，多胞材料中的局部應(yīng)變率已達(dá)到了一定的量級(jí)并在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，動(dòng)態(tài)初始?jí)簼?yīng)力并不會(huì)發(fā)生明顯的變化，因此，在較高速?zèng)_擊下動(dòng)態(tài)初始?jí)簼?yīng)力可以近似當(dāng)作常數(shù)來(lái)處理。

6、由于壓潰帶后方的區(qū)域處于應(yīng)力近似均勻的密實(shí)狀態(tài)，沖擊應(yīng)力主要受慣性效應(yīng)所主導(dǎo)，表現(xiàn)出速率敏感性。對(duì)比準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，多胞材料動(dòng)態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)呈現(xiàn)出明顯的加載速率敏感性，也即變形模式的依賴(lài)性特征，這主要是由不同變形模式中壓潰帶的相互作用所導(dǎo)致。
　　作為3D打印技術(shù)在多胞材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的初步應(yīng)用，我們采用熔融沉積成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三維閉孔Voronoi試樣的制備，實(shí)驗(yàn)上研究了切片層沉積方向、相對(duì)密度和細(xì)觀構(gòu)型對(duì)PLA泡沫

7、的力學(xué)性能的影響和相應(yīng)地變形機(jī)制。結(jié)果表明，當(dāng)切片層沉積方向平行于加載方向時(shí)，PLA泡沫更容易發(fā)生絲線粘合部位的開(kāi)裂破壞并且會(huì)出現(xiàn)較為明顯的橫向膨脹;在只改變胞壁厚度的前提下，PLA泡沫初始?jí)簼?yīng)力和平臺(tái)應(yīng)力均隨相對(duì)密度呈冪次關(guān)系的變化。另外，具有隨機(jī)胞元和十四面體胞元的多胞結(jié)構(gòu)在能量吸收性能、應(yīng)力平穩(wěn)性、變形的穩(wěn)定性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。
　　最后，基于細(xì)觀層次上特征胞元的力學(xué)行為的描述，從統(tǒng)計(jì)平均效應(yīng)上建立了多胞材料的細(xì)觀變形狀