工程科學學院近代力學系及中科院材料力學行為和設計重點實驗室鄭志軍博士及其合作者在多胞金屬動態沖擊方面取得新進展，通過數值模擬和理論分析發現了多胞金屬特有的一種新的率敏感性，揭示了率敏感性機理和能量吸收機理，提出了一種測試多胞金屬動態應力-應變關系的實驗方法，研究結果發表在固體力學領域旗艦期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》。論文為虞吉林教授課題組與英國阿伯丁大學Stephen R. Reid教授(英國皇家工程院院士)課題組合作的成果，特任副研究員鄭志軍博士為文章的第一作者兼通訊作者。
多胞金屬，如開孔泡沫鋁和閉孔泡沫鋁，其內部含有大量空穴又具有一定胞結構，可通過塑性變形大量地吸收沖擊/爆炸能量，在汽車工業、軌道交通和航空航天等領域可用作能量吸收部件和結構填充材料。由于多胞金屬的可壓縮性和非均質性，對其力學行為的理論分析和實驗研究都存在很大困難。工程應用中，多胞金屬常被視作材料并采用名義應力-應變關系進行表征，傳統上采用霍普金森壓桿實驗研究其應變率敏感性，但部分實驗結論存在明顯分歧。多胞金屬在強動載荷作用下的動力學響應及其微觀變形機理已成為迫切需要解決的關鍵問題。
虞吉林課題組系統研究了泡沫金屬及其復合結構的動態力學行為，深入研究了多胞金屬率敏感性問題，在國際沖擊工程和固體力學領域的權威學術期刊《International Journal of Impact Engineering》、《International Journal of Solids and Structures》和《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》等上發表了以“多胞材料動態壓潰”為主題的一系列論文。課題組在國際上率先開展了基于Voronoi技術的多胞材料動態力學行為的數值模擬，建立了一系列的細觀有限元模型以及適合于多胞材料的局部應變場計算方法，可模擬和表征隨機蜂窩、閉孔泡沫和開孔泡沫的動態壓潰過程，形成了具有特色的“數值試驗”方法，并發展了多胞金屬沖擊壓縮的一維塑性沖擊波模型。
通過對細觀有限元模型和宏觀沖擊波模型的多尺度分析和比較，發現多胞金屬在高速沖擊下的率敏感性表現為對“沖擊速率”的依賴性，區別于通常密實材料所表現出的應變率敏感性。當采用一維連續介質模型描述時，均勻模式和沖擊模式下的應力-應變曲線分別是兩條單一曲線，壓實區的動態應力-應變狀態點與沖擊速率一一對應。多胞金屬的率敏感性機理是細觀變形模式對沖擊速率的依賴性。低速壓縮下，形成了隨機分布的剪切壓潰帶，處于剪切帶交互作用區域的胞元變形受到了抑制，從而提高了壓實應力;高速沖擊下，形成了逐層壓潰帶，層與層之間影響較小，胞元可較為緊密地折疊堆積形成較大的壓實應變。基于變形局部化假設并運用沖擊波模型求解反問題，提出了一種測試多胞金屬動態應力-應變關系的實驗方法。采用直接沖擊情形，通過測量壓潰應力和沖擊速率的歷史曲線，即可一次性獲取沖擊速率在大的范圍內對應的動態應力-應變狀態。相關成果為指導多胞金屬的工程設計提供了重要的依據，也為發展多胞材料本構模型和應力波理論奠定了堅實的基礎。
審稿人指出：“The paper suggests that a unique dynamic stress-strain state exists, and the relations across the shock front associated with the dynamic stress-strain curve will automatically give the corresponding relationship between the stress-strain state and the impact velocity. In addition to the paper's significance in material modeling, it is worthwhile to note that this investigation may also help improve the experimental technique to characterize the loading-rate-sensitive behavior of real cellular materials.”(該論文提出存在單一的動態應力-應變狀態，且沖擊波陣面上的守恒關系與該動態應力-應變曲線聯立將自動給出應力-應變狀態與沖擊速率的對應關系。除了在材料模擬方面該論文所具有重要性外，值得注意的是這一研究也可能幫助改進實驗技術用以表征實際多胞材料的加載率敏感行為。)
研究工作得到了國家自然科學基金委多項基金的持續支持。
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