IMECH-IR  > 流固耦合系统力学重点实验室
高性能材料动态力学行为的多尺度研究
Alternative TitleMulti-scale Studies on Dynamic Behavior of High Performance Energy Absorption Materials
殷秋运
Thesis Advisor黄晨光 ; 吴先前
2017
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline工程力学
Abstract材料与结构的爆炸与冲击响应一直以来都是冲击动力学领域重要的研究方向。在过去的几十年中,相关研究人员在这个领域开展了大量理论、实验以及计算等方面的研究工作,其研究对象主要针对于传统的多孔泡沫材料、硬质陶瓷材料或者颗粒材料。随着防护技术的发展,传统的吸能材料或结构面临着新的挑战,急需寻求一些新的高性能吸能材料或吸能结构,来面对日益增长的国防军事及民用需求。本文主要围绕两种高性能先进吸能材料:剪切增稠流体(Shear Thickening Fluid, STF)与镍钛形状记忆合金(NiTi Shape Memory Alloys, NiTi SMAs),通过系统实验表征结合微观数值模拟的多尺度研究方法,对两种材料的动态力学行为开展了系统的研究。主要研究进展包括: 1. 获得了STF在较高压力条件下的冲击波衰减与能量耗散行为,得到了高压条件下STF能量耗散的机制。发展了针对流体材料的激光冲击加载实验方法,基于PDV速度测量,获得了铝板-STF铝板组合结构背表面质点速度。通过行波分析,获得了STF的状态方程,以及冲击波的传播与衰减规律、能量耗散规律。进一步,通过改变加载半径大小、激光功率密度、环境温度的方式,获得了压力状态、压力幅值以及温度对于STF增稠机制的影响规律,观测到STF在高压条件下出现颗粒破碎这一新的能量耗散机制。在实验基础上,通过MD模拟,获得了STF的颗粒破碎的微观作用机制。 2. 获得了STF填充轻质点阵夹层板的动力学行为与能量耦合耗散机制。通过改进的SHPB实验,获得了STF填充轻质点阵夹层板的吸能性能,发现由于STF与夹芯金字塔胞元结构的耦合作用,导致点阵夹层板的屈曲行为发生了改变。在无填充材料的情况下,点阵夹层板的胞元发生非对称屈曲行为,而填充STF的金字塔点阵夹层板发生对称屈曲行为。由于屈曲行为的改变,导致组合结构的吸能性能表现出“1+1>2”的效果。 3. 阐释了NiTi的相变与塑性变形行为的竞争机制,给出了NiTi应变率与温度相关的相图。通过MD建立了NiTi形状记忆合金在高应变率均匀压缩条件下的微观物理模型。系统性地研究了温度、应变率对于NiTi合金相变行为的影响规律。发现在变形过程中,存在相变行为与塑性变形行为的竞争机制。同时,给出了NiTi合金温度与应变率相关的相图。计算结果很好地解释目前对于NiTi合金在高应变加载条件下相变行为的争议。 4. 获得了NiTi中冲击波传播与衰减规律及其与材料微观结构演化之间的关联。基于高应变率均匀压缩的计算结果,建立了考虑绝热温升效应的冲击加载模型。获得了温度、压力耦合作用下,NiTi合金微结构的演化规律。发现低温下,主要发生孪晶塑性变形,而高温下则主要发生位错滑移。与此同时,获得了微结构演化与应力波相互作用规律,得到了NiTi中应力波的传播与衰减特性。由于不同相结构中应力波波速不同,导致应力波在传播过程中出现多峰结构。
Call NumberPhd2017-023
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/60426
Collection流固耦合系统力学重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
殷秋运. 高性能材料动态力学行为的多尺度研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2017.
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