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多胞金属材料的动力学特性及微结构设计

【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)

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