【摘要】：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、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)�；赩oronoi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)的率無關(guān)、剛性塑性硬化模型(R-PH)能夠較好地刻畫多胞材料在準(zhǔn)靜態(tài)下的力學(xué)響應(yīng),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。基于率相關(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)變硬化和胞內(nèi)氣壓,而與應(yīng)變率硬化參數(shù)呈線性變化關(guān)系�？紤]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)來處理。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)觀變形狀態(tài)與宏觀力學(xué)響應(yīng)之間的關(guān)系,得到了含有六個(gè)參數(shù)的細(xì)觀統(tǒng)計(jì)本構(gòu)模型。結(jié)果表明,該模型能夠表征多胞材料整個(gè)壓潰過程(彈性段、塑性平臺(tái)段和壓實(shí)段)的力學(xué)行為,并且能夠很好地捕捉到PLA泡沫在進(jìn)入壓潰狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)的應(yīng)力降變化特征。此外,給出了細(xì)觀統(tǒng)計(jì)模型參數(shù)與多胞材料相對(duì)密度之間定量化的關(guān)系。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB12
【圖文】：

１．１引言逡逑隨著社會(huì)的發(fā)展，各種類型的交通工具成了人們賴Ｗ進(jìn)行日�；顒�(dòng)的重要出逡逑行基礎(chǔ)。技術(shù)的進(jìn)步使得汽車、火車、飛機(jī)等出行代步工具向著更高的速度、更逡逑大規(guī)模的體積和更輕量化的方向發(fā)展，然而由于各種原因所導(dǎo)致的交通事故卻時(shí)逡逑有發(fā)生［１］。一旦發(fā)生機(jī)動(dòng)車交通事故，在如此高速的沖擊碰撞下往往會(huì)造成巨逡逑大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為了減少此類事件的發(fā)生，除了大力提升司乘人員的逡逑技能和安全意識(shí)外，還應(yīng)從交通工具的安全性設(shè)計(jì)上加改進(jìn)，即使當(dāng)碰撞事件逡逑不可避免地發(fā)生，不利的沖擊能量被所設(shè)計(jì)的吸能緩沖裝置所吸收，從而保護(hù)人逡逑員不會(huì)受到致命的傷害。作為吸能材料，不僅要具有高的能量吸收效率，還需要逡逑滿足較高的強(qiáng)度、穩(wěn)定的吸能過程和可設(shè)計(jì)性等特征口］。脫穎于傳統(tǒng)的實(shí)體材逡逑料，多胞材料由于特定微結(jié)構(gòu)的存在，使得其在吸能緩l柗矯嬗兇龐乓斕男閱鼙礤義舷鄭被咕哂械兔芏�、靠樿计性、笍s惹慷�、隔热、减振等虚喪|冢矗藎婢囈徨義瞎購?fù)功能诱浕体的袨赐多功能材料｀P擔(dān)藎酥詼嘌芯咳嗽鋇墓刈�。辶x

本文編號(hào)：2782414