3D打印Voronoi梯度泡沫材料动态力学特性研究

罗耿，祝召飞，肖尧之，陈轶嵩（长安大学汽车学院）

摘要：对泡沫材料引入梯度设计，可以有效调控其力学特性，提升能量吸收。本文基于Voronoi图形与3D打印技术，设计并制备了分层梯度与连续梯度泡沫材料，构建了考虑基体材料应变率的有限元模型，并基于准静态压缩试验验证了有限元模型，进而研究了梯度泡沫材料的动态力学特性及其变形模式。研究结果表明：对于正梯度泡沫，在不同的加载速度下，加载端即密度较低端一般首先变形，并向支撑端传播，形成一条明显的塑性冲击波，为正向单波模式；对于负梯度泡沫，随着加载速度的增加，其依次呈现出反向单波模式，双波模式，正向单波模式，分层梯度与连续梯度泡沫具有相似的变形模式，当分层数增加，其差异越小；基于应力波理论建立的梯度泡沫的单波与双波理论模型，可以准确预测梯度泡沫在不同冲击速度下冲击端与支撑端的应力；对于负梯度泡沫临界速度的分析表明，当梯度率较小时，拥有较大胞元的支撑端将更容易变形，从而削弱加载速度增加引发的惯性效应，使得双波模式会在更高的速度区间出现，即第2临界速度升高，而第1临界速度对于梯度率的变化表现出较低的敏感性；随着冲击速度的增加，负梯度泡沫的能量吸收效果显著提升。

关键词：梯度泡沫；3D打印；动态冲击；双波模型；临界速度