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高压物理学报

高压物理学报

2026年07期

《高压物理学报》创刊于1987年9月，是我国高压物理领域唯一的专业性刊物，是由中国物理学会高压物理专业委员会、四川省物理学会主办，中国工程物理研究院流体物理研究所承办的学术双月刊。

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轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 轻质复合防护材料与结构的力学行为专刊·前言

轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 轻质复合防护材料与结构的力学行为专刊·前言

航空航天、国防装甲、运载装备与轨道交通等领域的跨越式发展，对防护体系提出了兼具轻量化、高比吸能及多场耦合抗冲击能力的严苛要求。传统均质金属防护构件因自重过大、能量耗散路径单一，且极端条件下易诱发突发性整体失稳，已难以满足装备续航效率、综合防护性能与服役结构可靠性协同提升的迫切需求。轻质多孔材料、纤维增强复合材料、陶瓷-金属梯度复合构型以及仿生层级夹层结构，凭借其低密度、高效耗能及力学性能可定制化等
轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 异质多孔结构材料的设计策略与抗冲击性能研究进展

轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 异质多孔结构材料的设计策略与抗冲击性能研究进展

摘要: 多孔结构材料作为一类轻质高强的功能-结构一体化材料, 在航空航天、汽车制造、生物医疗等领域应用广泛。然而, 传统单一构型的多孔结构材料（如蜂窝结构、点阵晶格）在面对爆炸冲击波、多向冲击或非线性变形等复杂工况时, 表现出性能局限。在此背景下, 异质多孔结构材料（heterogeneous cellular structure material, HCSM）逐渐成为冲击防护领域的研究热点。系统综述了近年来 HCSM 的设计策略及其抗冲击性能。HCSM 主要有拓扑构型异质（包括互补型和增强型融合）和材料异质（如泡沫材料与剪切增稠材料的填充）两大类型, 通过创新性的“功能融合”途径, 实现了对单一构型的多孔结构材料性能瓶颈的突破。进一步梳理了 HCSM 在承受冲击载荷时的协同增强效应与变形机理, 深入分析了其在能量吸收效率、刚度及稳定性提升方面的内在机制。尽管 HCSM 的研究已取得显著进展, 但仍面临连接性优化、增材制造工艺匹配、复杂工况验证以及多功能集成等诸多挑战。展望未来, 融合人工智能与机器学习技术, 有望实现 HCSM 从设计到制造的全流程一体化优化, 从而为开发新一代高性能抗冲击结构材料提供新的方向。
轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 自锁结构设计及力学性能研究进展

轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 自锁结构设计及力学性能研究进展

摘要: 自锁结构凭借对单胞连接方式的巧妙设计, 使结构内部的单胞无需额外添加约束条件, 就能实现彼此相互锁定。自锁结构具备轻质便携、快速组装与拆卸等优势, 在抗冲击、防爆等多个领域具有广阔的应用前景。自锁结构在自然界多种生物结构中天然存在, 首先, 从仿生自锁结构的设计启发、周期性结构的吸能机制以及周期性结构剪切带失效 3 个方面, 阐述自锁结构的设计理念; 接着, 依据自锁方向对自锁结构进行分类, 介绍了二维单向自锁结构、三维多向自锁结构以及曲面自锁结构的研究进展, 其中, 三维多向自锁结构能够承受更为复杂的多向载荷, 介绍了基于哑铃型结构、生物骨缝、褶皱设计的 3 种代表性多向自锁结构; 最后, 对自锁结构的研究进行总结, 并对其研究前景进行展望。
轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 新型长载荷平台缓冲超材料的设计与性能研究

轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 新型长载荷平台缓冲超材料的设计与性能研究

摘要: 兼具可逆变形与长载荷平台特性的超材料可满足多次缓冲的需求, 在防护工程中具有重要的应用潜力。然而, 现有的此类超材料普遍存在材料利用率偏低的问题, 制约了其承载与缓冲吸能性能的提升。为解决上述不足, 提出了一种新型长载荷平台缓冲超材料, 它由左右对称双弧与上下对称曲面板组合而成, 能够实现可恢复大变形和全结构协同承载变形, 大幅提升了材料的利用率, 从而优化了承载和缓冲吸能性能。通过试验与数值仿真方法, 验证了该超材料的长载荷平台及可恢复大变形特性, 同时系统分析了结构几何参数对其力学行为的影响。结果表明: 通过调节侧面双弧厚度、中间曲面板厚度以及中部横向跨度, 可实现对长载荷平台的有效调控; 移除中间曲面板后, 长载荷平台特性消失, 力-位移曲线呈近似线性变化。同等质量下的有限元仿真对比证实, 所设计的超材料的缓冲性能明显优于无长载荷平台特性的同类结构, 并揭示了其内在缓冲机理。研究结果为长载荷平台超材料的性能提升提供了新的设计思路, 有助于推动其在缓冲工程中的应用。
轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 梯度泡沫金属冲击波形调控的逆向设计与边界效应研究

轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 梯度泡沫金属冲击波形调控的逆向设计与边界效应研究

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
轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 基于力学匹配设计的仿生薄壁-泡沫复合结构的分级能量吸收与动态响应

轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 基于力学匹配设计的仿生薄壁-泡沫复合结构的分级能量吸收与动态响应

摘要: 针对轻质防护结构对稳定承载与高效能量吸收协同提升的需求, 提出了一种基于力学匹配的混合仿生薄壁-泡沫复合结构设计方法。利用增材制造技术, 制备了3种构型的聚乳酸（polylactic acid, PLA）仿生壳体, 并通过原位发泡构建聚氨酯泡沫填充复合结构。通过拉伸试验、准静态压缩试验及动态落锤冲击试验, 研究发泡过程产生的热效应对PLA壳体性能及复合结构力学响应的影响。通过峰值力、平台力、比吸能、平均压溃力、压溃力效率等指标对结构耐撞性能进行定量评价。结果表明, 发泡导致的热效应降低了PLA的弹性模量和强度, 并提高延展性, 从而改善壳体与泡沫之间的力学匹配。复合结构的平台力和平均压溃力显著提升, 压溃模式由局部失稳转变为渐进堆叠坍塌, 表现出稳定的分级吸能特征。动态冲击试验进一步验证了结构在高能冲击作用下的稳定承载和吸能能力。研究结果揭示了几何构型、材料匹配与热-力耦合效应协同作用下的结构吸能机制, 为轻质仿生防护结构的设计与优化提供了新的思路。
轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 聚氨酯胶体含量对预浸 PBO 纤维复合板弹道性能的影响

轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 聚氨酯胶体含量对预浸 PBO 纤维复合板弹道性能的影响

摘要: 针对聚对苯撑苯并二噁唑（poly-p-phenylene ben-zobisthiazole, PBO）纤维表面化学惰性导致的复合材料界面结合弱、弹道性能不足的问题，采用水性聚氨酯预浸与热压工艺，制备了不同胶体质量分数（18.40%和20.45%）和纤维层数（10、20、30）的PBO复合板，通过准静态拉伸、弹道实验和X射线计算机断层扫描技术，研究了复合材料的拉伸性能、弹道极限、失效模式及能量吸收机制。结果表明：该工艺可有效改善PBO纤维复合板的成形与防护性能；与胶体质量分数为20.45%的试样相比，胶体质量分数为18.40%的30层试样的抗拉强度提升了14.86%，弹性模量提升28.33%；弹道极限随胶体质量分数的增加而提高，10、20层试样中20.45%胶体质量分数试样的弹道极限分别提升了9.9%、5.3%，但随着层数增加的幅度逐渐减弱，30层时二者差值不足1%；复合板的主要失效模式包括纤维剪切断裂、基体破裂分层及纤维拉伸断裂；能量吸收通过纤维压缩变形、剪切与拉伸断裂协同实现，吸能效率随冲击速度提高呈下降趋势，随层数增加而增强，而胶体质量分数的影响在高层数时减弱。研究结果可为PBO纤维复合材料的弹道防护设计提供参考。
轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 超薄碳纤维复合材料的冲击动力学行为实验研究

轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 超薄碳纤维复合材料的冲击动力学行为实验研究

DOI: 10.11858/gywlxb.20251265 摘要: 碳纤维增强聚合物（carbon fiber reinforced polymer, CFRP）作为一种先进复合材料，在工程领域应用广泛。然而，针对超薄 CFRP 层压复合材料动态力学行为的研究较为有限。采用单向超薄预浸料和热压成型工艺，制备了单层厚度仅为 0.1 mm 的超薄 CFRP 层压复合材料，探究了 5 种铺层
轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 高速撞击下不同背板碳化硼陶瓷复合靶板的陶瓷锥形成机制

轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 高速撞击下不同背板碳化硼陶瓷复合靶板的陶瓷锥形成机制

摘要: 陶瓷锥是轻型陶瓷复合装甲实现抗弹侵彻能量耗散的关键物理机制。为此, 针对碳化硼陶瓷复合装甲, 选取6061铝合金、7075铝合金、T300碳纤维板及超高分子量聚乙烯板（ultra-high molecular weight polyethylene, UHMWPE）4种典型背板材料, 采用一级轻气炮弹道冲击实验与LS-DYNA数值模拟相结合的方法, 系统研究了背板屈服强度、刚度及波阻抗对陶瓷锥形态及演化的影响规律。结果表明: 陶瓷锥对背板的载荷传递并非仅依赖单一外锥, 而是通过外锥与内锥等多条裂纹的共同作用实现; 背板的屈服强度对主要锥形的裂纹扩展无明显影响; 在刚度方面, 外锥角随弹性模量的增加而线性减小, 内锥角则呈指数增大; 波阻抗通过调控应力波反射/透射改变陶瓷内部应力场变化, 致使内锥角随着波阻抗的增加呈线性增大, 外锥角则随之呈指数减小。
轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 基于机器学习的三角形波纹夹芯梁的冲击响应与设计优化

轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 基于机器学习的三角形波纹夹芯梁的冲击响应与设计优化

摘要: 为提高三角形波纹夹芯梁在低速冲击下的性能预测精度与结构设计效率, 基于硬参数共享的多任务学习（multi task learning, MTL）框架, 构建了一种面向夹芯梁冲击响应的机器学习建模与优化流程。基于有限元模型生成样本数据集, 并参考已有实验结果对模型合理性进行校核。在此基础上训练 MTL 模型, 实现了对结构比吸能、上面板最大挠度及初始峰值载荷的同步预测。结果表明, 经贝叶斯优化后的 MTL 模型在 50 J 冲击能量下表现出较好的预测性能, 预测结果与有限元模拟结果吻合较好, 测试集中各输出量的决定系数均达到 0.989 以上, 验证了该模型在响应预测与工程优化分析中的有效性和可靠性。参数敏感性分析表明: 芯层胞元数量和芯层壁厚对结构刚度的影响最显著, 其次为上面板厚度, 而下面板厚度的影响相对较小; 芯层壁厚在性能提升方面存在一定的饱和阈值。结合非支配排序遗传算法 II（NSGA-II）, 分别对变形特性、吸能性能及综合性能开展多目标优化分析, 获得了满足不同工程设计需求的夹芯梁最优参数构型。
轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 轴向荷载作用下仿生分形多胞圆管的耐撞性

轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 轴向荷载作用下仿生分形多胞圆管的耐撞性

摘要: 针对传统薄壁圆管与高吸能需求之间的矛盾, 提出了一种内嵌不同正多边形的仿生分形多胞圆（bio-inspired fractal multi-cell circular, BFMC）管。基于生物结构启发与分形层级理论, 构建了内嵌正四边形、正五边形及正六边形的BFMC管几何模型, 通过数值模拟系统研究了质量、分形维数及内嵌正多边形边数等关键参数对结构耐撞性能的影响, 并与典型多胞管进行了对比分析。结果表明: 在近似等质量条件下, BFMC管凭借分形层级与仿生构型, 能够显著提升比吸能和承载能力; 其耐撞性能随质量增加而增强, 随分形维数的增大呈先降后升的趋势, 并随内嵌多边形边数的增加而增强, 而峰值力受边数的影响较小。基于超折叠单元理论, 建立了用于预测BFMC管平均压缩力的理论模型, 并通过数值模拟验证了其准确性与适用范围。研究结果可为高比吸能薄壁结构的设计提供理论依据与结构构型途径。
轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 中间层材料对 7B53 铝合金复合板界面组织与动态力学性能的影响

轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 中间层材料对 7B53 铝合金复合板界面组织与动态力学性能的影响

摘要: 铝合金中间层材料对于7B53铝合金复合板（7A52铝合金/中间层/7A63铝合金）的界面结合性能和动态冲击力学性能的影响显著。采用拉伸剪切实验、夏比冲击实验、分离式霍普金森压杆实验和扫描电子显微镜，系统研究了不同铝合金中间层材料（7A01、6061、2024铝合金）对复合板界面结合质量及高应变率（1700～3200 s ^-1）下动态力学行为的影响机制。结果表明，6061中间层复合板表现出最优的界面结合性能，最大剪切强度达109.6 MPa，较7A01中间层复合板（73.1 MPa）提升了36.5 MPa，这是由于6061铝合金促进了界面区域细小均匀晶粒的形成，从而有效强化界面区域。霍普金森压杆实验表明，中间层的不均匀变形可有效阻断裂纹向7A52层的贯穿扩展，并促使裂纹沿界面偏转。7A01中间层复合板的应变率敏感性较低，而6061中间层复合板在1700～2700 s ^-1范围内虽因热软化效应而流变应力下降，但其优异的延展性确保了高速冲击下的稳定变形。与2024中间层复合板相比，6061中间层复合板在保持较高屈服强度的同时，具有更高的塑性应变。6061中间层复合板成功实现了7A52高韧性与7A63高强度的有效融合，为装甲车辆抗冲击防护结构设计提供了重要的理论依据。

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目录

轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 轻质复合防护材料与结构的力学行为专刊·前言

轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 轻质复合防护材料与结构的力学行为专刊·前言

轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 异质多孔结构材料的设计策略与抗冲击性能研究进展

轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 异质多孔结构材料的设计策略与抗冲击性能研究进展

轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 自锁结构设计及力学性能研究进展

轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 自锁结构设计及力学性能研究进展

轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 新型长载荷平台缓冲超材料的设计与性能研究

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轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 梯度泡沫金属冲击波形调控的逆向设计与边界效应研究

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轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 基于力学匹配设计的仿生薄壁-泡沫复合结构的分级能量吸收与动态响应

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轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 聚氨酯胶体含量对预浸 PBO 纤维复合板弹道性能的影响

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轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 高速撞击下不同背板碳化硼陶瓷复合靶板的陶瓷锥形成机制

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轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 基于机器学习的三角形波纹夹芯梁的冲击响应与设计优化

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轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 轴向荷载作用下仿生分形多胞圆管的耐撞性

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轻质复合防护材料与结构的力学行为 | 中间层材料对 7B53 铝合金复合板界面组织与动态力学性能的影响

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