中国科大合作研究揭示多胞金属率敏感性机理

　　近日，中国科学技术大学工程科学学院虞吉林教授课题组与英国阿伯丁大学Stephen R. Reid教授（英国皇家工程院院士）课题组合作，在多胞金属动态冲击方面取得新进展，通过数值模拟和理论分析发现了多胞金属特有的一种新的率敏感性，揭示了率敏感性机理和能量吸收机理，提出了一种测试多胞金属动态应力-应变关系的实验方法，研究成果发表在Journal of the Mechanics and Physics of Solids 上。论文的第一作者为虞吉林课题组的特任副研究员郑志军博士。

　　虞吉林课题组系统研究了泡沫金属及其复合结构的动态力学行为，深入研究了多胞金属率敏感性问题，取得了以“多胞材料动态压溃”为主题的一系列研究成果论文。课题组在国际上率先开展了基于Voronoi技术的多胞材料动态力学行为的数值模拟，建立了一系列的细观有限元模型以及适合于多胞材料的局部应变场计算方法，可模拟和表征随机蜂窝、闭孔泡沫和开孔泡沫的动态压溃过程，形成了具有特色的“数值试验”方法，并发展了多胞金属冲击压缩的一维塑性冲击波模型。

　　通过对细观有限元模型和宏观冲击波模型的多尺度分析和比较，发现多胞金属在高速冲击下的率敏感性表现为对“冲击速率”的依赖性，区别于通常密实材料所表现出的应变率敏感性。当采用一维连续介质模型描述时，均匀模式和冲击模式下的应力-应变曲线分别是两条单一曲线，压实区的动态应力-应变状态点与冲击速率一一对应。多胞金属的率敏感性机理是细观变形模式对冲击速率的依赖性。低速压缩下，形成了随机分布的剪切压溃带，处于剪切带交互作用区域的胞元变形受到了抑制，从而提高了压实应力；高速冲击下，形成了逐层压溃带，层与层之间影响较小，胞元可较为紧密地折叠堆积形成较大的压实应变。基于变形局部化假设并运用冲击波模型求解反问题，提出了一种测试多胞金属动态应力-应变关系的实验方法。采用直接冲击情形，通过测量压溃应力和冲击速率的历史曲线，即可一次性获取冲击速率在大的范围内对应的动态应力-应变状态。相关成果为指导多胞金属的工程设计提供了重要的依据，也为发展多胞材料本构模型和应力波理论奠定了坚实的基础。

　　上述研究工作得到了国家自然科学基金委多项基金的持续支持。

闭孔泡沫金属的三维Voronoi模型（a）和准静态/动态应力-应变关系（b）

闭孔泡沫金属低速压缩下的剪切压溃（a）和高速冲击下的逐层压溃（b）