非均质点阵结构的力学性能与吸能特性研究
点阵材料作为近些年出现的一种轻质多孔材料，由于其点阵构型使得其具有超轻、高孔隙率、高比强、高比刚度、高强韧、高能量吸收等优良机械性能。在结构的抗冲击与减振降噪等设计实践中发现，动力荷载作用下的均匀点阵结构，随着结构对冲击荷载产生反应的同时，在其遭受冲击区域总是同时产生一个较大初应力峰值，容易导致结构的破坏，对结构的能量吸收产生不利影响。为了有效降低初始应力峰值、提高吸能效率，人们设计得到一类非均质点阵结构-功能梯度点阵结构。功能梯度点阵结构兼有梯度材料和点阵结构的双重优势，在土木工程领域有着巨大的应用价值，但对其力学性能表征方面的研究较少。本文对非均质功能梯度点阵结构力学表征与吸能特性进行系统性研究，主要的研究工作和成果如下： （1）将渐进均匀化理论方法与有限元分析方法相结合，实现了渐进均匀化方法的方程求解，详细阐述了渐进均匀化有限元程序实现过程，借助ABAQUS有限元计算软件强大的非线性问题求解能力及用户自定义子程序开发特性，实现了渐进均匀化方法的方程求解，得到了代表单元体的力学特性参数，建立了非均质点阵材料中细观模型的等效弹性参数的准确预测体系。 （2）提出并设计了一种二维非均质分级功能梯度点阵结构，设计了多种不同的分级自相似梯度模式，开展了2D分级非均质点阵结构的功能梯度设计与吸能特性研究，获得2D分级非均质点阵结构在冲击过程中产生的力-位移曲线、功能梯度系数对结构吸能特性的影响规律、不同梯度模式下防护结构变形模式、2D分级非均质功能梯度点阵结构的能量吸收比（SEA）变化规律、2D分级非均质功能梯度点阵结构的峰值破碎力（PCF）变化规律。揭示了不同结构设计参数对2D分级非均质点阵结构吸能与耐冲击特性的影响。 （3）提出并设计了一种二维非均质蜂窝功能梯度点阵结构，提出多种不同的功能梯度模式，开展了2D蜂窝非均质点阵结构的功能梯度设计与吸能特性研究，获得2D非均质蜂窝点阵结构在冲击过程中产生的力-位移曲线、功能梯度系数对结构吸能特性的影响规律、不同梯度模式下吸能结构的变形模式、2D分级非均质功能梯度点阵结构的能量吸收比变化规律、2D分级非均质功能梯度点阵结构的峰值破碎力变化规律。 （4）提出并设计了一种三维非均质功能梯度点阵结构，提出多种不同的梯度模式的3D非均质点阵结构，开展了3D非均质点阵结构的功能梯度设计与吸能特性研究，通过实验验证与数值模拟的方法，获得3D非均质功能梯度点阵结构在冲击过程中产生的力-位移曲线、功能梯度系数对结构吸能特性的影响规律、不同梯度模式下吸能特性、3D非均质功能梯度点阵结构的能量吸收比变化规律、3D非均质功能梯度点阵结构的峰值破碎力变化规律。揭示了不同结构设计参数对3D非均质功能梯度点阵结构吸能与耐冲击特性的影响。 （5）建立了多目标Kriging代理模型，通过非主导排序遗传算法II（NSGA-II），建立了非均质功能梯度点阵结构多目标优化分析模型，实现了针对不同功能梯度设计的非均质点阵结构多目标优化，获得了多目标优化的Pareto前沿，并采用最小距离选择法（TMDSM）对优化结果进行了评估。揭示了2D分级非均质点阵结构的梯度模式及梯度系数、2D蜂窝非均质功能梯度点阵结构的梯度模式及梯度系数、3D非均质功能梯度点阵结构的梯度模式及梯度系数、材料属性、几何尺寸等对结构吸能特性影响的机理规律，获得了具有最佳吸能特性的非均质功能梯度点阵结构。 （6）采用有限元软件ABAQUS建立了非均质点阵结构桥墩防护结构船撞分析的精细化有限元模型，自主设计了一套功能梯度点阵结构桥墩防护装置，并将该结构应用于桥梁结构防护，进行了多种船舶-功能梯度点阵结构防护装置-桥墩碰撞工况数值模拟，对功能梯度点阵结构防护装置在整个船舶撞击过程中吸能特性进行了模拟计算与分析，获得了冲击过程中的冲击力时程曲线，获得了功能梯度防护装置应力分布规律、吸能特性以及破坏模式，研究了碰撞角度、梯度模式等多种因素对非均质点阵结构防撞装置效能的影响，进一步揭示了该类结构在船舶撞击下的吸能机理。
轻质多孔材料;非均质点阵结构;桥墩防护装置;船舶撞击;吸能特性
东南大学
博士
桥梁与隧道工程
万水
2021
中文
U443.22
2023-08-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）