中國科大合作研究揭示多胞金屬率敏感性機理

　　近日，中國科學技術大學工程科學學院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，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，研究成果發表在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，取得了以“多胞材料動態壓潰”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。

　　上述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。

閉孔泡沫金屬的三維Voronoi模型（a）和準靜態/動態應力-應變關系（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）