多胞材料的力学行为

多胞材料具有独特的力学性质,其工程应用日益增加.人造多胞材料可以分为蜂窝材料和泡沫材料两类.本文介绍了这两类材料在不同载荷条件下力学行为的研究概况.对于某些天然材料(木材和松质骨)的多胞结构及其模型也作了简要介绍.     

关于"多胞材料"和"点阵材料"的一点意见

近年来,新型的结构材料和功能材料层出不穷,有关的新名词术语也极待厘定．     

蜂窝材料的非线性剪切行为

将梁的弹性大挠度弯曲理论应用于蜂窝壁板,研究了大变形条件下蜂窝材料的非线性剪切变形行为.研究中将椭圆积分形式的解答应用于蜂窝胞元的壁板,并利用平衡和变形谐调条件建立了相应的非线性代数方程组,然后利用牛顿一拉夫森迭代法求解.在上述数值解法的基础上,确定了等效剪应力和剪应变间的非线性曲线,并给出了剪切模量的非线性修正因子,该因子只与蜂窝形状和变形情况有关,而与细长比无关,因而能描述一类蜂窝材料的剪切行为.与有限元数值结果的比较表明,此方法具有较好的精度.     

多胞材料的动态应力应变状态及其一致近似关系

多胞材料在高速冲击下呈现出逐层压溃的变形模式,塑性冲击波模型可以用来表征这种集中变形带的传播行为。本文中采用截面应力计算方法得到了随机蜂窝在恒速冲击下的一维应力分布,进而对冲击波的传播规律进行了分析。比较了高速冲击下由不同方法得到的冲击波速度与冲击速度的关系,结果表明R-PP-L（率无关,刚性-理想塑性-锁定）模型高估了冲击波速度,但R-PH（率无关,刚性-塑性硬化）模型以及一维冲击波理论得到的冲击波速度与有限元结果比较接近。冲击波速度与冲击速度在高速情形下趋于线性关系,但随着冲击速度的减小,冲击波速度不断减少并趋于常数。根据这一特征和塑性冲击波模型,发展了可以表征冲击波速度与冲击速度的关系、动态应力应变关系的一致近似模型。

     

部分充液多胞元结构的面内动态力学特性研究

为探究部分充液多胞元结构的抗冲击防护性能,结合充液内凹胞元的落锤冲击试验,建立了充液内凹胞元、部分充液内凹多胞元结构的冲击动态特性二维FEM数值分析,计算得到了部分充液内凹多胞元结构的变形破坏模式,讨论了不同冲击速度下部分充液内凹多胞元结构的动力学响应特性。结果表明:在充液胞元破损后,水介质会流入相邻未充液胞元,形成二次鼓胀吸能效应,从而有效提高结构壁面的变形吸能水平;结构中的充液区域和未充液区域的变形破坏模式分别为鼓胀拉伸和屈曲弯折;随着冲击速度的提高,结构的单位体积应变能以及对初始冲击载荷的削弱作用均得到增强。横向充液方式可以等效为变刚度弹簧的串联布置,该方式仅影响结构的局部刚度,纵向充液方式可以等效为多层变刚度弹簧的并联布置,该方式会影响结构的整体刚度;充液区域与未充液区域的等效刚度呈动态变化,结构变形模式由各区域实时的等效刚度决定。当载荷冲击速度较高时,横向和纵向部分充液内凹多胞元结构对初始冲击载荷的削弱能力均优于未充液内凹多胞元结构。     

松质骨的细观力学研究评述

用细观力学方法分析松质骨的力学性能，研究松质骨的弹性模量、压缩强度与其相对密度之间的关系，这是骨力学的一个重要研究方向．     

松质骨的细观力学研究评述

用细观力学方法分析松质骨的力学性能,研究松质骨的弹性模量、压缩强度与其相对密度之间的关系,这是骨力学的一个重要研究方向．      

梯度多胞材料的动态力学性能分析与设计研究综述

多胞材料是一种内部含有大量空穴和胞元的结构,具有轻质、高比吸能等特性,广泛应用于航空航天、交通运输和人体防护等碰撞/爆炸防护领域。引入梯度设计可实现多胞材料的有序耗能和载荷调控,满足不同情形和工况下的防护需求。对梯度多胞材料动态力学行为和设计的研究进展进行了综述,着重介绍了梯度多胞材料/结构在抗冲击、抗爆炸和模拟爆炸载荷加载3个方面的应用案例。首先,介绍了梯度多胞材料的分类,较系统地总结了梯度多胞材料在动态加载下的变形特征、冲击波模型、防护性能等方面的研究,阐明了梯度多胞材料的密度/强度梯度与惯性效应存在的竞争机制。其次,以冲击波模型为力学原理指导梯度多胞材料/结构设计,介绍了梯度多胞材料耐撞性反向设计、多种抗爆炸夹芯结构设计、计及弹靶耦合效应的爆炸载荷模拟器设计等策略,实现了最佳防护效果或载荷精准控制,为抗冲击/抗爆炸防护设计和快速评估提供理论基础和技术支撑。最后,展望了梯度多胞材料在极端环境加载、大能量冲击和强非线性载荷调控等需求下冲击防护领域的应用前景。     

极性材料的热弹性力学

本文在文献[1]、[2]、[3]、[5]、[7]的基础上,讨论了线性耦合下,极性材料三维热弹性力学的能量方程、熵生成定律、耗散函数、Fourier热传导方程和它的变分原理。     

铁电材料的疲劳失效行为

在航空航天、核能发电等重大装备技术领域, 作为高温传感/驱动/能量收集器件的敏感材料——铋层状结构铁电(BLSF)陶瓷在复杂载荷环境下的疲劳失效问题严重限制着器件寿命和可靠性的提高. 本文以BLSF陶瓷的应用需求为背景, 围绕铁电材料的疲劳裂纹扩展与电畴极化翻转及其相互作用机制等关键问题, 综述了铁电材料在热、力、电三种载荷及其耦合作用下疲劳失效行为的研究现状, 并根据当前铁电材料的一些新发展、新应用对其未来研究方向进行了展望, 旨在为高性能、长寿命铁电/压电器件设计提供参考.     

人头盖骨微观组织结构及能量吸收机制研究1)

头盖骨对于维持生命安全至关重要。作为一种多孔夹芯结构,头盖骨由密质骨面板和松质骨芯子构成。本文通过头盖骨截面与冲击物相互作用,并基于能量守恒定律分析了人头盖骨能量吸收随着冲击速度的变化规律,给出了头盖骨在不同冲击速度下的破坏形貌图。通过头盖骨截面的失效面积,反映出结构的吸能特性。     

正六角形蜂窝夹芯层弯曲刚度理论分析

论文研究了由正六角形胞元构成的正六角形蜂窝夹芯层弯曲刚度.由于正六角形蜂窝夹芯层受面内载荷作用时在胞元斜壁上引起的弯矩与受面外载荷作用时在胞元斜壁上产生的弯矩有所不同,因此,基于面内变形的正六角形蜂窝夹芯层面内等效弹性参数不能用于计算正六角形蜂窝夹芯层弯曲变形.论文基于正六角形蜂窝夹芯层产生弯曲变形时三胞元壁板连接处转角为零的条件会导致正六角形胞元斜壁产生扭曲变形的事实,提出了一种新的正六角形蜂窝夹芯层理论分析方法.用论文方法计算得到的数值结果与有限元商用软件MSC.Marc计算得到的数值解进行对比,表明论文方法不但有效而且可行.     

内凹蜂窝圆柱壳结构的轴向变形分析

基于平面内凹蜂窝理论建立了曲面内凹蜂窝圆柱壳模型,研究了曲面内凹蜂窝单元在轴向受力下的变形.利用能量法得到了单元在轴向受力下的变形表达式,根据变形表达式得到单元弹性模量.考虑了内凹蜂窝单元的轴向高度、径向宽度以及单元杆件的高宽比对弹性模量的影响.对以上参数进行了理论计算与有限元仿真,将所得结果进行对比与分析,可以得到以下结论:内凹蜂窝圆柱壳在轴向受力下弹性模量随单元轴向高度和杆件高宽比的增大而增大,随单元径向宽度增大而减小.     

A UNIFIED ENERGY APPROACH TO A CLASS OF MICROMECHANICS MODELS FOR MICROCRACKED SOLIDS

Micromechanics models have been developed for the determination ofthe elastic moduli of microcracked solids based on different approaches andinterpretations,including the dilute or non-interacting solution,the Mori-Tanakamethod,the self-consistent method,and the generalized self-consistent method.It isshown in the present study that all these micromechanics models can be unified withinan energy-equivalence framework,and that they differ only in the way in which themicrocrack opening and sliding displacements are evaluated.Relevance to thedifferential methods and the verification of these models are discussed.     

蜂窝夹芯剪切等效模量研究

蜂窝夹层轻型结构以其比强度、比刚度高,而在航空航天工程中被广泛采用．由于蜂窝形状、尺寸多样,使夹层结构设计、优化分析变得复杂,特别是蜂窝夹芯的剪切模量难以准确的等效计算．以薄板理论为基础采用有限元方法对单蜂窝分析的方法,获得蜂窝夹芯的剪切等效模量,与其它方法相比较,精度较高,与试验结果吻合较好．     

蜂窝板复合材料的等价弹性模量

运用复合法则计算蜂窝板复合材料的等价弹性模量, 并把此值与有限元法的分析数值计算结果进行比较, 指出在运用复合法则计算等价弹性模量时, 由于未考虑到蜂窝芯板与面板间的位移连续性条件, 其误差将很大; 提出了满足蜂窝芯板与面板间的位移连续性条件下的等价弹性模量理论分析的新的计算方法, 并且通过与有限元法的数值分析结果进行比较, 确认其有效性.     

含液体松质骨的压缩实验分析

在本文中,假设不含液体松质骨为线弹性体,以及松质骨固液两相结构特性,建立了含液体松质骨的单向压缩本构方程,其形式与三参量线粘弹性体的本构方程相同.并通过拟合实验结果,得到本构方程中有关参数的值.     

A new method for the biaxial testing of cellular solids

Commercial cellular solids such as metal foams and honeycombs exhibit deformation and failure responses that are dependent on specimen size during testing. For foams, this size dependence originates from the fabrication-induced material and structural inhomogeneities, which cause the uncontrolled localization of deformation during the testing of foam cubes. Different peak loads and failure modes are observed in honeycomb specimens in the plate-shear configuration depending on specimen height. This size dependence causes difficulty in obtaining a more representative constitutive behavior of the material. It has recently been established that the size dependence under uniaxial compression can be eliminated with tapered cellular specimens, which enable controlled deformation at a given region of the specimen. This concept is extended in this paper to the biaxial testing of butterfly-shaped cellular specimens in the Arcan apparatus, which focuses deformation at the central section of the specimen. The Arcan apparatus has been modified such that all displacements at the boundaries of the specimen could be controlled during testing. As a consequence of this fully displacement controlled Arcan apparatus, a force perpendicular to that applied by the standard universal testing machine is generated and becomes significant. Thus, an additional load cell is integrated on the apparatus to measure this load. Example responses of butterfly-shaped specimens composed of aluminum alloy honeycomb, aluminum alloy foam and hybrid stainless-steel assembly are presented to illustrate the capabilities of this new testing method.     

Elastic buckling of honeycomb structure under out-of-plane pressure

A theoretical model and an analytical method, which are suitable for initial elastic buckling analysis of two-dimensional honeycomb structures including hexagonal honeycombs with walls of equal or unequal thickness, rectangular and triangular honeycombs etc., are developed in this paper. The results given in present paper agree well with the experimental data of hexagonal honeycombs with walls of unequal thickness.The project was supported by National Natural Science Foundation of China.