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梯度泡沫金属冲击波形调控的逆向设计与边界效应研究OA

Inverse Design and Boundary Effects in Impact Waveform Control of Graded Foam Metals

中文摘要英文摘要

为实现航空安全测试等领域对高冲击量值波形的精准生成,研究了梯度泡沫金属在不同边界条件下的冲击波形调控机制.基于质量与动量守恒定律,分别建立了自由边界与弹性边界下梯度泡沫金属冲击波形发生理论模型;进一步提出了一种基于平均相对密度约束与高斯-牛顿迭代的密度梯度反向设计方法,实现了从目标加速度波形到材料密度梯度分布的逆向求解.有限元结果表明,该方法在不同边界下均能有效生成目标波形,如三角波和半正弦波.研究还发现:自由边界更适合生成高幅值、宽脉宽波形,而弹性边界则可通过刚度调节改善低幅值波形的可实现性;边界条件虽不改变冲击持续时间,但会对波形形状产生显著影响.此外,若相邻层间的阻抗差异过大,将导致波形波动加剧,从而影响波形生成精度.所提出的密度梯度反向设计策略具有良好的通用性,为高冲击测试技术的自主发展提供了理论支撑与实用化设计工具.

To achieve the precise generation of high-amplitude impact waveforms required for aviation safety testing and related fields,this study investigates the impact waveform regulation mechanisms of graded cellular metals under different boundary conditions.Based on the conservation laws of mass and momentum,theoretical models for impact waveform generation using graded cellular metals are established for both free and elastic boundary conditions.Furthermore,an inverse design method for density gradient is proposed,which incorporates an average relative density constraint combined with Gauss-Newton iteration,enabling the reverse solution from a prescribed acceleration waveform to the material density gradient distribution.Finite element results demonstrate that the proposed method can effectively generate required waveforms—such as triangular and half-sine waves—under both boundary conditions.The study also reveals that:free boundaries are more suitable for generating high amplitude and long duration waveforms,whereas elastic boundaries can improve the realizability of low-amplitude waveforms through stiffness regulation;boundary conditions do not alter the impact duration but exert a significant influence on waveform shape;and excessive impedance mismatch between adjacent layers will intensify waveform oscillations,thereby compromising the waveform generation accuracy.The proposed inverse design strategy for density gradients exhibits favorable versatility and provides both theoretical support and a practical design tool for the development of high-amplitude impact testing technologies.

殷江南;杨强;高金翎;刘小川;刘家贵;卢天健

南京航空航天大学航空学院,江苏 南京 210016||南京航空航天大学多功能轻量化材料与结构工信部重点实验室,江苏 南京 210016||南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室,江苏 南京 210016中国飞机强度研究所强度与结构完整性全国重点实验室,陕西 西安 710065南京航空航天大学航空学院,江苏 南京 210016||南京航空航天大学多功能轻量化材料与结构工信部重点实验室,江苏 南京 210016||南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室,江苏 南京 210016中国飞机强度研究所强度与结构完整性全国重点实验室,陕西 西安 710065南京航空航天大学航空学院,江苏 南京 210016||南京航空航天大学多功能轻量化材料与结构工信部重点实验室,江苏 南京 210016||南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室,江苏 南京 210016南京航空航天大学航空学院,江苏 南京 210016||南京航空航天大学多功能轻量化材料与结构工信部重点实验室,江苏 南京 210016||南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室,江苏 南京 210016

数理科学

波形调控梯度泡沫金属密度梯度设计高冲击量值

waveform regulationgraded cellular metaldensity gradient designhigh-amplitude impact

《高压物理学报》 2026 (7)

58-72,15

国家自然科学基金(11872072)航空基金(20230041052001)

10.11858/gywlxb.20261046

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