多胞材料动静态力学性能的多尺度分析和表征
发布时间：2020-08-06 12:41
【摘要】：多胞材料由于复杂细观结构的存在,呈现出典型的多尺度特征,表现出诸多优异的力学性能,如轻质、高比强度、良好的耐冲击性能,从而被广泛应用于汽车、航空航天及军事等领域,尤其是用于吸能缓冲结构的设计。细观结构的多样性,为实现多胞材料或多功能结构的优化设计,延拓材料的性能空间,扩宽材料的应用领域,以及发展多胞材料的本构关系提供了广阔的平台。然而,多胞材料的动态力学性能与细观结构参数之间的关系尚不明确。本文利用三维细观有限元模型和基于速度场分布的分析方法研究了多胞材料动态力学性能和细观结构参数对动态力学响应的影响,以期为多胞材料和结构的耐撞性设计提供指导。基于Voronoi算法构建了多胞材料的三维细观有限元模型,实现了细观模型生成的模块化功能,采用结构网格模板的方法完成了胞壁结构的网格划分和优化。数值模拟的结果表明,多胞材料在准静态下出现随机的剪切带,仅含两个材料参数(压溃应力和应变硬化)的率无关、刚性塑性硬化模型(R-PH)能够较好地刻画多胞材料在准静态下的力学响应,并给出了初始压溃应力和硬化参数均随相对密度呈幂次关系的变化规律。在动态冲击下,多胞材料的变形带呈逐层压溃的模式,表现出结构冲击波的传播特征,采用速度场分布的分析方法研究了多胞材料在动态压溃下的动态力学行为和冲击波传播规律。通过对冲击波波速与冲击速度之间渐近行为的考察,可以发现当冲击速度足够高时,冲击波波速与冲击速度之间的差值趋于常数,表现出材料的属性。运用量纲分析的方法确定出对该动态材料参数起主导作用的细观结构参数和基体材料参数。进一步得到了动态材料参数和相对密度之间定量化的关系并揭示了影响冲击波传播的变形机制。基于率相关、刚性-塑性硬化(D-R-PH)冲击波模型和跨波阵面的质量和动量守恒,得到了压溃过程中单位体积上的比能量吸收表达形式,揭示了跨波阵面的能量吸收机制,该机制可用于指导多胞材料的微结构优化设计。此外,表征多胞材料动态硬化的参数分别独立地以近似线性的关系依赖于基体材料的硬化参数、应变率硬化参数和胞内气压值的变化;动态初始压溃应力独立于胞壁材料的应变硬化和胞内气压,而与应变率硬化参数呈线性变化关系。考虑多胞材料在动态冲击下的压溃带具有一定的宽度而并非强间断面状态,采用连续的速度场分布研究了多胞材料局部的动态力学响应。结果表明,多胞材料动态下的压实应变随冲击速度的增加趋近于多胞材料完全密实所达到的最大应变。在高速冲击下,多胞材料中的局部应变率已达到了一定的量级并在较小的范围内波动,动态初始压溃应力并不会发生明显的变化,因此,在较高速冲击下动态初始压溃应力可以近似当作常数来处理。由于压溃带后方的区域处于应力近似均匀的密实状态,冲击应力主要受惯性效应所主导,表现出速率敏感性。对比准静态应力-应变曲线,多胞材料动态下的应力-应变状态点呈现出明显的加载速率敏感性,也即变形模式的依赖性特征,这主要是由不同变形模式中压溃带的相互作用所导致。作为3D打印技术在多胞材料微结构设计中的初步应用,我们采用熔融沉积成型技术实现了三维闭孔Voronoi试样的制备,实验上研究了切片层沉积方向、相对密度和细观构型对PLA泡沫的力学性能的影响和相应地变形机制。结果表明,当切片层沉积方向平行于加载方向时,PLA泡沫更容易发生丝线粘合部位的开裂破坏并且会出现较为明显的横向膨胀;在只改变胞壁厚度的前提下,PLA泡沫初始压溃应力和平台应力均随相对密度呈幂次关系的变化。另外,具有随机胞元和十四面体胞元的多胞结构在能量吸收性能、应力平稳性、变形的稳定性方面具有一定的优势。最后,基于细观层次上特征胞元的力学行为的描述,从统计平均效应上建立了多胞材料的细观变形状态与宏观力学响应之间的关系,得到了含有六个参数的细观统计本构模型。结果表明,该模型能够表征多胞材料整个压溃过程(弹性段、塑性平台段和压实段)的力学行为,并且能够很好地捕捉到PLA泡沫在进入压溃状态时出现的应力降变化特征。此外,给出了细观统计模型参数与多胞材料相对密度之间定量化的关系。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB12
【图文】：
１．１引言逡逑随着社会的发展，各种类型的交通工具成了人们赖Ｗ进行日常活动的重要出逡逑行基础。技术的进步使得汽车、火车、飞机等出行代步工具向着更高的速度、更逡逑大规模的体积和更轻量化的方向发展，然而由于各种原因所导致的交通事故却时逡逑有发生［１］。一旦发生机动车交通事故，在如此高速的冲击碰撞下往往会造成巨逡逑大的人员伤亡和财产损失。为了减少此类事件的发生，除了大力提升司乘人员的逡逑技能和安全意识外，还应从交通工具的安全性设计上加改进，即使当碰撞事件逡逑不可避免地发生，不利的冲击能量被所设计的吸能缓冲装置所吸收，从而保护人逡逑员不会受到致命的伤害。作为吸能材料，不仅要具有高的能量吸收效率，还需要逡逑满足较高的强度、稳定的吸能过程和可设计性等特征口］。脱颖于传统的实体材逡逑料，多胞材料由于特定微结构的存在，使得其在吸能缓l柗矫嬗凶庞乓斓男阅鼙礤义舷郑被咕哂械兔芏取⒖缮杓菩浴⒏弑惹慷取⒏羧取⒓跽竦刃阅芸冢矗荩婢呓徨义瞎购凸δ苡谝惶宓男滦投喙δ懿牧希郏担荩酥诙嘌芯咳嗽钡墓刈ⅰｅ义
本文编号：2782414
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB12
【图文】：
１．１引言逡逑随着社会的发展，各种类型的交通工具成了人们赖Ｗ进行日常活动的重要出逡逑行基础。技术的进步使得汽车、火车、飞机等出行代步工具向着更高的速度、更逡逑大规模的体积和更轻量化的方向发展，然而由于各种原因所导致的交通事故却时逡逑有发生［１］。一旦发生机动车交通事故，在如此高速的冲击碰撞下往往会造成巨逡逑大的人员伤亡和财产损失。为了减少此类事件的发生，除了大力提升司乘人员的逡逑技能和安全意识外，还应从交通工具的安全性设计上加改进，即使当碰撞事件逡逑不可避免地发生，不利的冲击能量被所设计的吸能缓冲装置所吸收，从而保护人逡逑员不会受到致命的伤害。作为吸能材料，不仅要具有高的能量吸收效率，还需要逡逑满足较高的强度、稳定的吸能过程和可设计性等特征口］。脱颖于传统的实体材逡逑料，多胞材料由于特定微结构的存在，使得其在吸能缓l柗矫嬗凶庞乓斓男阅鼙礤义舷郑被咕哂械兔芏取⒖缮杓菩浴⒏弑惹慷取⒏羧取⒓跽竦刃阅芸冢矗荩婢呓徨义瞎购凸δ苡谝惶宓男滦投喙δ懿牧希郏担荩酥诙嘌芯咳嗽钡墓刈ⅰｅ义
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