聚合物泡沫材料动态力学性能及其能量吸收研究

 通过落锤实验,对发泡聚乙烯（EPE）、发泡聚丙烯（EPP）材料的动态力学性能进行了研究,提出了一种获得聚合物泡沫材料在恒定应变率下本构曲线的方法,建立了EPE的Low Density Foam本构模型。以此为基础,探索了在冰箱跌落过程中,聚合物泡沫包装材料的能量吸收以及对冰箱抗跌落冲击的保护能力。     

基于温度与应变率相互耦合的泡沫铝本构关系

根据分离式Hopkinson压杆实验以及准静态实验得到的泡沫铝材料在不同温度以及不同应变率下的应力-应变曲线,分析了泡沫铝本构方程中温度效应与应变率效应之间的耦合关系,即温度越高,泡沫铝的应变率效应越显著。基于Sherwood和Frost提出的泡沫材料本构关系框架,对常温下的应变率敏感系数进行了温度项修正,修正后的本构方程在高温高应变率下与实验结果具有较好的一致性。最终得到泡沫铝在一定密度范围内包含温度项、应变率项较为完备的本构方程。     

多孔钼烧结体的静压p-V特性研究

 利用中等密度的多孔钼烧结体进行了中、低静压全程加载-卸载实验。研究了在不同直径（特别是较大尺寸）和不同初始密度时该材料的静压p-V特性曲线。实验发现，样品初始密度不同应变也不同；卸载曲线几乎不受样品初始密度、直径的影响。计算表明，泡沫钼在静压下具有较高的吸能性，吸能效率较高，但预压后的泡沫钼吸能性和吸能效率均有所下降。     

泡沫Al压缩形变及能量吸收特征

通过考察两种基体泡沫Al(分别为脆性和塑性)单向压缩应力-应变曲线，探讨了其形变和能量吸收特征及机理，得到了一些与以往不同的研究结果.研究发现，与其他多孔固体材料一样，泡沫Al的压缩形变过程也经历三个区域，即线性弹性区、平台区和致密化区；泡沫Al的吸能本领随屈服强度的提高而增强；在屈服强度相近的情况下，脆性泡沫Al的吸能本领高于塑性泡沫Al；泡沫Al吸能效率峰值对应于较低的应变值(约为0.15—0.25)；吸能效率峰值对基体成分和状态不敏感，随密度增加，吸能效率峰值呈下降趋势. 关键词：     

聚苯乙烯泡沫材料的动态压缩特性

通过万能材料试验机和落锤式冲击试验装置,对发泡聚苯乙烯泡沫材料进行准静态和动态压缩试验,探讨密度和加载速率对材料动态压缩特性的影响。基于落锤试验数据,考虑密度相关性,通过修正得到恒定应变率下材料动态本构关系的经验公式。基于LS-DYNA中的MAT57和MAT163以及ABAQUS中的Low Density Foam和Crushable Foam 4种材料模型,建立了适用于有限元仿真的发泡聚苯乙烯泡沫本构模型。通过模拟落锤冲击过程,对比试验结果发现:MAT163和Crushable Foam模型能较好地预测材料动态响应和能量吸收性能,验证了动态本构模型的可靠性,并且这两种特定的材料模型在模拟发泡聚苯乙烯泡沫冲击碰撞时具有良好的适用性。     

多层介质对应力波传播特性影响分析

 通过在气炮上进行多层介质的低速冲击实验及相应的数值计算，分析了不同组成的多层介质对应力波传播特性的影响。结果表明：多层介质中的泡沫材料不仅能够改变应力波的幅值与作用时间，而且具有显著的吸能效果，引起应力波在传播过程中在各层介质中能量与动量分配的改变。通过对泡沫铝和泡沫混凝土两种软材料在多层介质中作用的比较表明，在低速冲击的实验条件下，含泡沫混凝土的多层介质具有较好的削波作用，含泡沫铝的多层介质具有较好的吸能性能。     

考虑温度效应的泡沫铝准静态压缩本构模型

采用MTS材料试验机研究了不同密度(0.322~0.726g/cm~3)的闭孔泡沫铝在温度范围25~500℃下的准静态压缩力学性能,得到了泡沫铝在不同温度下的单轴压缩应力-应变曲线,分析了密度以及温度对其力学行为的影响。利用Liu和Subhash提出的本构模型对不同密度泡沫铝的应力-应变曲线进行拟合,分析并确定了模型中各参数随密度变化的函数,再代入Liu-Subhash模型,得到了泡沫铝的准静态压缩本构模型。通过引入温度软化项对准静态压缩本构模型进行修正,建立了考虑温度效应的泡沫铝准静态压缩本构模型,对闭孔泡沫铝的工程应用具有指导意义。     

水下爆炸冲击波在含吸收层结构中的传播规律的数值模拟

 利用ANSYS/LS-DYNA软件,对水下爆炸冲击波在含有吸收层的多层结构中的传播规律进行了数值模拟。结果表明：冲击波在吸收层中的衰减是由泡沫材料自身的本构引起的;在含泡沫材料吸收层的结构中峰值压力仅为不含吸收层的14%,冲击波传播波形发生改变;在含有泡沫混凝土的多层结构中应力波峰值的下降幅度比含泡沫铝的大,但冲击波传播波形的变化不是很明显;泡沫混凝土中的总能量大于泡沫铝中的总能量,因此泡沫混凝土作为防护吸收层要优于泡沫铝。     

高压、高应变率与低压、高应变率实验的本构关联性

 指出Johnson-Cook（J-C）、Zerilli-Armstrong（Z-A）、Bodner-Parton（B-P）本构方程在一定条件下的适用性,表明对于低压、高应变率实验,单一曲线假定似乎可以采用。通过等效应力、等效应变,可以将不同应力状态下的流动应力函数采用统一的方程描述。然而,这些本构方程的确立,并不包括平面冲击波实验。对适合于平面冲击波实验的Steinberg-Cochran-Guinan（SCG）本构方程,讨论了其方程中所包含的高压与高应变率耦合效应。指出,以剪切模量度量的流动应力具有应变率相关性。基于温度效应的新发现以及直接测量平面冲击波流动应力的新进展,分别用J-C本构及SCG本构方程估算了钨材料在高压、高应变率加载下的流动应力。结果表明,采用J-C本构估算的流动应力仅在压力为10 GPa以下才能与实验数据相近,当压力高于10 GPa时,流动应力只能采用SCG本构估算。也指出了高压、高应变率本构方程与低压、高应变率本构方程所对应的不同物理背景。     

金属泡沫材料研究

金属泡沫或金属多孔材料是８０年代后期国际上迅速发展起来的一种物理功能与结构一体化的新型工程材料，它所具备的多种优异物理性能特别是阻尼性能已引起广泛关注，并在消声，减震，分离工程，催化载体，屏蔽防护，吸能缓冲等一些高技术领域获得了广泛应用。文章着重介绍了铸造发泡法制造铝泡沫材料的技术难点。     

一种高聚物粘结炸药和B炸药的本构关系研究

 利用万能材料试验机对一种高聚物粘结炸药（简称PBX炸药）和压装B炸药进行了准静态压缩实验,得到了两种炸药在不同应变率下的应力应变曲线。通过两种炸药在不同应变率下力学性能的研究,建立了两种炸药含应变率效应的本构方程。结果表明,建立的本构方程能较好地描述两种炸药在弹性阶段和强化阶段的力学性能。     

一种基于十字镂空结构的低频超材料吸波体的设计与制备

设计了一种十字镂空的超材料结构,与传统的铁磁吸波材料相结合,实现了低频吸收频带的扩宽.仿真结果显示,吸波体在2-4 GHz范围可以实现-10 dB以下的吸收,相比于没有加载超材料的情况,吸收带宽扩展了0.5 GHz.实验结果在2.5-5.1 GHz范围内也显示了相似的吸收曲线,低于-9 dB的吸收频带有0.48 GHz的扩宽,扩展了23%.不同结构的能量损耗密度分布表明,相比于无镂空的十字结构,镂空十字结构可以增加磁场能量损耗,加强单元结构之间的耦合,降低超材料对传统吸波材料性能的破坏.探索了传统铁磁吸波材料厚度的变化对吸波体吸收性能的影响,发现由超材料引入的附加峰位置不随着吸波材料厚度的改变而明显地移动.根据这个结果,进一步设计了由两种超材料叠加组合而成的吸波体,仿真结果和实验结果均显示,在降低了1.1 mm铁磁吸波材料层厚度的情况下,使低频吸收带宽又扩展了0.9 GHz.     

准全向平板超材料吸波体的设计

本文设计了一种具有准全向吸波特性的平板超材料吸波体,其准全向吸波特性是由超材料吸波单元的双面吸波、极化不敏感和宽入射角实现的.理论分析和仿真结果表明:该吸波体在6.18 GHz的确有一个双面吸波的吸收点,且吸收率对极化角和入射角均不敏感.提取的等效阻抗表明可以调节超材料的电磁响应使其在吸收频率处与自由空间阻抗匹配来抑制反射.仿真的能量损耗分布表明:该吸波体对电磁波的吸收主要源于基板的介质损耗;采用两种不同介质基板的设计可使前吸波体与后吸波体的耦合度明显降低、抑制耦合所导致的传输.该吸波体可能在许多领域具有 关键词： 准全向吸波 双面吸波 极化不敏感 宽入射角     

低密度聚氨酯泡沫压缩行为实验研究

 在室温下，对一种低密度硬质聚氨酯泡沫进行了准静态压缩及应变率在1×10³～5×10³ s^-1范围内的冲击压缩实验。结果表明，所测试的聚氨酯泡沫材料在准静态实验与动态实验之间存在明显的应变率效应，但在纯动态实验中应变率效应不明显。最后，给出了以屈服应力、密度、应变等为参量的动态压缩本构关系，且能较好地与材料的动态压缩曲线吻合。     

基于蒙特卡罗模拟的射束硬化校正方法

传统的射束硬化校正方法, 通常需要针对每一种材料测量该材料对射线的吸收曲线. 由于吸收曲线对实验条件有很大的依赖性, 每当改变X光机电压或者被测工件的材料等条件时,需要重新测量吸收曲线才能完成硬化校正过程. 这种方法费事费时. 本文提出了基于蒙特卡罗模拟计算物质吸收曲线的硬化校正方法. 实验中, 分别用本方法和传统的硬化校正方法对铝工件进行硬化校正, 经过比较, 确认本方法是有效的. 然后用该方法对不同材料(铝、铁和铜)的工件进行校正. 实验结果表明, 本方法能有效消除各种材料工件图像中的硬化伪影, 是快速的和切实可行的.     

基于集总元件的低频宽带超材料吸波体设计与实验研究

提出一种基于集总元件的超材料吸波体结构设计, 并进行了理论分析和实验验证. 仿真结果表明, 该吸波体在2.5 GHz到4.46 GHz的低频带内具有吸收率超过95%、半高宽达到70.4%的良好吸收特性. 反演计算得到的等效输入阻抗表明集总元件的加入可以使该结构在较宽的频率范围内有较好的阻抗匹配特性, 介质表面能量损耗分布的模拟计算结果说明能量主要损耗在了集总电阻中, 从而实现低频宽带的吸收特性. 制备了实验样品并用自由空间法进行测试, 测试结果与模拟结果符合得较好. 进一步的实验测试结果表明FR4基板的厚度对该吸波体的吸收特性有明显的调控作用, 且对于固定参数的结构存在最佳匹配厚度. 关键词： 集总元件 超材料吸波体 低频 宽带     

低密度开孔Kelvin泡沫大变形数值模拟

正十四面体单元胞结构含有8个正六边形和6个正四边形面，由36根等长度支柱构成。十四面体单元胞结构按体心立方堆积，即构成Kelvin模型，这是一种接近于泡沫真实结构的周期性结构模型。分别基于胞壁材料的线弹性和超弹性材料本构，采用ABAQUS有限元软件模拟了低密度开孔Kelvin泡沫的大变形行为，用以考察单轴拉压载荷作用下泡沫材料的变形机理以及基体材料力学特性对泡沫宏观力学行为的影响。数值计算采用二阶空间Timoshenko梁单元模拟开孔泡沫支柱，建立了满足周期性边界条件的有限元模型。     

水-气-颗粒固体三相混合系统的流体动力学

按照经典物理中处理混合物的一般热力学方法, 将近年来报道的颗粒固体流体动力 学进一步推广到孔隙被水和气填充的情形, 建立了其自由能的初步模型. 水-气-颗粒三相体系是与岩土工程和地质灾害密切相关的材料, 但其经典宏观物理基础却一直未能全面澄清.目前用于分析这类混合物力学行为的基本工程理论含Darcy渗流定律、Terzaghi有效应力及其运动方程(即本构方程)等内容. 通过与经典物理对比, 本文澄清了渗流对应于不同相之间的质量扩散, 有效应力与这类材料特有的体积填充形式自由能有关, 这两部分内容工程与物理是一致的.目前的分歧具体体现在材料建模对象上, 前者认为是本构方程, 而后者是自由能和迁移系数. 该分歧的解决将是建立这类材料的连续介质物理基础、突破本构方法面临的困境的一个关键. 关键词： 颗粒物质 混合物 应力 流体动力学     

从热质理论到能质理论

现有流变学本构方程大多是基于唯象模型或者通过对线性定律进行修正而导出的,物理意义不够清晰。本文借鉴热质理论,提出连续介质微元的动能同样具有当量质量,可以用能质控制方程导出普适动能输运定律。普适动能输运定律在不同问题背景下,可以导出牛顿黏性定律,胡克定律以及流变学中较为基础的线性黏弹性本构方程。能质理论推导流变学本构方程的过程是基于第一性原理,不仅物理意义清晰,而上揭示了热输运与动能输运之间的内在统一规律。     

多孔铝中热击波的数值模拟

 本文利用数值模拟方法对多孔铝在热击波作用下的力学效应进行了分析和研究。文中对用于描述多孔材料本构关系的p-a方程进行了改进，使其具有更为广泛的适用性和合理性，尤其是在描述多孔材料发生熔化出现零压时，具有突出的优越性。在处理压强p和多孔材料的多空度a的关系时，我们采用了M. M. Carroll的空心球壳模型，并考虑到热辐射引起的能量沉积作用，对其进行了修正，使其能恰当地反映出在热辐射条件下所遵循的规律。描述材料状态变化的是GRAY的金属三相物态方程。由上所述建立起来的这套方程及其对多孔材料中热击波的处理结果都具有一定的价值。