论文摘要
多胞材料以其轻质、高比强度、高比高度、良好的电磁屏蔽、高的抗冲击吸能效率等优异物理特性在航空航天、铁道车辆、汽车、军事、建筑及包装等工业前沿领域有着广泛的应用前景。而这类材料在单轴和多轴加载条件下的力学行为已引起了工业界和学术界极大关注。多胞材料兼具功能材料和结构材料的优异特性,势必有着更为广泛的应用前景。本文采用实验为主,理论分析和数值仿真相结合的方法系统研究了两类多胞材料(蜂窝材料和泡沫材料)在单轴和多轴应力路径下的屈服强度、吸能效率、失效模式以及失效机理。研究内容主要包含以下几方面：(1)芳纶纸蜂窝(NOMEX)单轴压缩和不同压剪复合加载条件下的屈服强度及其失效模式。(2)泡沫铝合金在准静态单轴压缩、拉伸和压剪、拉剪复合加载条件下泡沫铝合金的屈服强度及其失效模式。(3)在压剪冲击加载条件下泡沫铝合金的屈服强度及其吸能效率。(4)两类多胞材料的屈服准则及其优化设计。主要取得如下重要成果：对芳纶纸蜂窝(NOMEX蜂窝)进行面外单轴压缩和10种不同应力路径下的面外压剪复合加载实验基础上,确定了芳纶纸蜂窝面内等效剪切模量、等效剪切强度上下限值及其比值关系。深入研究了芳纶纸蜂窝在不同应力路径下的初始屈服强度及其平台阶段变形模式,基于实验结果获得了芳纶纸蜂窝在压剪应力空间下较完整的实验初始屈服面,并进一步分析了面内方向角对剪切强度、剪切模量以及实验初始屈服面影响。最后把面内方向角作为材料特征参数引入本构模型中,并验证了包含面内方向角参数的屈服准则可以量化蜂窝材料各向异性的屈服行为。对三种相对密度的泡沫铝合金进行了准静态单轴压缩、拉伸实验和压剪、拉剪复合加载实验。深入比较了泡沫铝合金在单轴拉伸、压缩条件下的屈服失效机制及其及由此导致的初始屈服强度差异。基于单轴实验和复合加载实验结果确定了三种相对密度泡沫铝合金的在四种加载速度下的实验屈服面,系统的分析了相对密度、加载速度两个重要参数对泡沫铝合金实验屈服面的影响。改进了传统的霍普金森压杆系统,提出了一种冲击压剪复合加载方法以此来实现对材料的多轴冲击加载实验研究。基于数值仿真结果验证了测试装置的可靠性并提出了冲击压剪复合加载装置数据处理的基本方法。对相对密度15%的泡沫铝合金进行了冲击速度大约为10m/s的7种应力路径(加载角0到60)压剪冲击加载实验。基于实验结果确定了泡沫铝合金在主应力平面下的动态实验屈服面。相对于准静态实验结果,屈服面有一个明显的膨胀扩张趋势。基于一系列实验结果提出了一个唯象屈服准则来描述泡沫金属的实验屈服面,模型中进一步量化了材料单轴拉压不对称、塑性可压缩性、相对密度、加载速度对材料力学行为的影响。
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