近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院虞吉林教授課題組與英國阿伯丁大學(xué)Stephen R. Reid教授（英國皇家工程院院士）課題組合作，在多胞金屬動態(tài)沖擊方面取得新進(jìn)展，通過數(shù)值模擬和理論分析發(fā)現(xiàn)了多胞金屬特有的一種新的率敏感性，揭示了率敏感性機(jī)理和能量吸收機(jī)理，提出了一種測試多胞金屬動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的實(shí)驗(yàn)方法，研究成果發(fā)表在Journal of the Mechanics and Physics of Solids 上。論文的第一作者為虞吉林課題組的特任副研究員鄭志軍博士。
虞吉林課題組系統(tǒng)研究了泡沫金屬及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的動態(tài)力學(xué)行為，深入研究了多胞金屬率敏感性問題，取得了以“多胞材料動態(tài)壓潰”為主題的一系列研究成果論文。課題組在國際上率先開展了基于Voronoi技術(shù)的多胞材料動態(tài)力學(xué)行為的數(shù)值模擬，建立了一系列的細(xì)觀有限元模型以及適合于多胞材料的局部應(yīng)變場計(jì)算方法，可模擬和表征隨機(jī)蜂窩、閉孔泡沫和開孔泡沫的動態(tài)壓潰過程，形成了具有特色的“數(shù)值試驗(yàn)”方法，并發(fā)展了多胞金屬沖擊壓縮的一維塑性沖擊波模型。
通過對細(xì)觀有限元模型和宏觀沖擊波模型的多尺度分析和比較，發(fā)現(xiàn)多胞金屬在高速沖擊下的率敏感性表現(xiàn)為對“沖擊速率”的依賴性，區(qū)別于通常密實(shí)材料所表現(xiàn)出的應(yīng)變率敏感性。當(dāng)采用一維連續(xù)介質(zhì)模型描述時(shí)，均勻模式和沖擊模式下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別是兩條單一曲線，壓實(shí)區(qū)的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)與沖擊速率一一對應(yīng)。多胞金屬的率敏感性機(jī)理是細(xì)觀變形模式對沖擊速率的依賴性。低速壓縮下，形成了隨機(jī)分布的剪切壓潰帶，處于剪切帶交互作用區(qū)域的胞元變形受到了抑制，從而提高了壓實(shí)應(yīng)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(shí)應(yīng)變�；谧冃尉植炕僭O(shè)并運(yùn)用沖擊波模型求解反問題，提出了一種測試多胞金屬動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的實(shí)驗(yàn)方法。采用直接沖擊情形，通過測量壓潰應(yīng)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(nèi)對應(yīng)的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)。相關(guān)成果為指導(dǎo)多胞金屬的工程設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)，也為發(fā)展多胞材料本構(gòu)模型和應(yīng)力波理論奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委多項(xiàng)基金的持續(xù)支持。
閉孔泡沫金屬的三維Voronoi模型（a）和準(zhǔn)靜態(tài)/動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系（b）
閉孔泡沫金屬低速壓縮下的剪切壓潰（a）和高速沖擊下的逐層壓潰（b）
