多胞金属材料的动力学特性及微结构设计

论文摘要

摘要：多胞材料以其潜在的多功能集成设计的优势在各领域得到了广泛的应用。如何建立孔洞微拓扑结构与其宏观动力学响应特性的关系,进而实现微结构的自主优化设计一直是多胞材料性能研究的前沿问题之一。本论文从多胞材料微拓扑结构参数出发,对二维和三维多胞材料的冲击动力学性能进行了研究,主要研究内容如下：1)研究了面内冲击载荷作用下胞元微拓扑结构对蜂窝材料动态冲击性能的影响；讨论了不同形状胞元(正三角形或正方形)、胞元形状相同但排列方式不同(规则或交错排布)以及不同形状胞元组合Kagome蜂窝材料的动态冲击性能,给出了试件及其微结构的动态演化过程。通过引入棱边连接因子ZT(或ZQ)来反映微拓扑空间参数对平台应力的影响,分别给出了正三角形和正方形蜂窝材料的平台应力经验公式。基于三角形和六边形蜂窝结构面内冲击性能,给出了面内冲击荷载作用下组合Kagome蜂窝结构的动态变形机制和能量吸收特性。(具体内容见第3章)2)研究了缺陷及其分布不均匀性对蜂窝材料面内冲击性能的影响；基于理想蜂窝材料(正六边形、正三角形和正方形)在不同冲击速度下的变形特性,讨论了缺陷(胞壁缺失)位置、缺陷率以及冲击速度对蜂窝材料变形模式和平台应力的影响。通过引入缺陷分布不均匀性影响因子βm,给出了六边形蜂窝材料平台应力随冲击速度和缺陷率变化的经验公式。(具体内容见第4章)3)基于功能梯度材料的概念,提出了功能梯度多胞材料模型,研究了密度梯度对多胞材料冲击动力学性能的影响。针对圆环蜂窝和二维空心球阵列,通过改变圆环半径(或空心球壳厚度),建立了分层递变圆环蜂窝材料和二维空心球阵列模型。讨论了冲击速度、微排布方式、密度梯度对圆环蜂窝材料以及二维空心球阵列的动态变形模式和能量吸收性能的影响。建立了冲击速度和密度梯度与多胞材料冲击动力学响应间的关系。同时,在二维空心球阵列研究的基础上,讨论了不同点阵结构三维空心球阵列的动态响应特性。给出了微排布方式(简单立方SC,体心立方BCC和面心立方FCC)和连接方式(离散或粘结)对动态变形模式和能量吸收特性的影响。(具体内容见第5章和第6章)

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 多胞材料概述
• 1.3 多胞金属材料结构的动态响应
• 1.4 多胞金属材料结构的应力波传播特性
• 1.5 多胞金属材料结构的吸能特性
• 1.6 本文的研究内容
• 第2章 多胞固体中冲击波的传播
• 2.1 引言
• 2.2 实体材料中应力波的传播
• 2.3 多胞固体中冲击波的传播
• 2.4 多胞材料中速度区域的划分
• 2.5 本章小结
• 第3章 微拓扑结构对蜂窝材料宏观动力学性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型
• 3.2.1 有限元模型
• 3.2.2 相对密度
• 3.2.3 弹性屈曲临界胞壁厚度
• 3.3 胞元空间拓扑参数对蜂窝材料动态冲击性能的影响
• 3.3.1 具有不同微拓扑参数的蜂窝材料变形模式
• 3.3.2 胞元微拓扑空间参数对平台应力的影响
• 3.3.3 不同胞元填充蜂窝材料的能量吸收性能
• 3.4 组合蜂窝材料面内冲击性能研究
• 3.4.1 组合蜂窝材料的变形模式
• 3.4.2 组合蜂窝材料的能量吸收性能
• 3.5 本章小结
• 第4章 缺陷对蜂窝材料动态冲击性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型
• 4.2.1 六边形蜂窝计算模型
• 4.2.2 三角形和四边形蜂窝计算模型
• 4.2.3 相对密度
• 4.3 缺陷不均匀性对六边形蜂窝材料动态冲击性能的影响
• 4.3.1 缺陷不均匀性对变形模式的影响
• 4.3.2 缺陷不均匀性对平台应力的影响
• 4.4 缺陷不均匀性对三角形和四边形蜂窝材料动态性能的影响
• 4.4.1 缺陷不均匀性对变形模式的影响
• 4.4.2 缺陷不均匀性对平台应力的影响
• 4.4.3 缺陷不均匀性对能量吸收性能的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 分层递变圆环蜂窝材料动态冲击性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 计算模型
• 5.2.1 有限元模型
• 5.2.2 相对密度
• 5.3 分层递变圆环蜂窝材料的变形模式
• 5.4 分层递变圆环蜂窝材料的平台应力
• 5.5 分层递变圆环蜂窝材料的能量吸收特性
• 5.6 本章小结
• 第6章 金属空心球泡沫结构的动态冲击性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 二维分层递变金属空心球阵列的动态冲击性能
• 6.2.1 计算模型
• 6.2.2 二维分层递变金属空心球阵列的变形模式
• 6.2.3 二维分层递变金属空心球阵列的平台应力
• 6.2.3.1 均匀密度空心球阵列
• 6.2.3.2 具有密度梯度的空心球阵列
• 6.2.4 二维分层递变金属空心球阵列的能量吸收特性
• 6.3 不同点阵结构金属空心球泡沫的动态响应
• 6.3.1 计算模型
• 6.3.2 不同点阵结构金属空心球泡沫的变形模式
• 6.3.3 不同点阵结构金属空心球泡沫的平台应力
• 6.3.4 不同点阵结构金属空心球泡沫的能量吸收特性
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 进一步的工作展望
• 参考文献
• 附录:符号表
• 个人简历
• 学位论文数据集