基于计算机的材料性能测试 (2003年)

恩斯特马赫研究所(EMI)的弗劳恩霍费尔瞬时动力学研究所通过多功能动态材料试验台、碰撞和冲击装置、冲击管装置进行实验以及数值模拟，从事材料动态特性研究，并将所确定的动态材料数据用于未来新材料的优化设计． ### 基于计算机的材料性能测试 #### 概述 恩斯特马赫研究所(EMI)隶属于弗劳恩霍费尔瞬时动力学研究所，该机构致力于通过实验与数值模拟来研究材料在极端条件下的动态特性。这些研究不仅包括传统金属材料，还涉及玻璃、复合材料、泡沫材料、纤维材料及混凝土等多种类型。研究所的目标是优化未来新材料的设计，并通过这些材料的动态性能数据来提高其应用的安全性和可靠性。 #### 实验设备与方法 EMI拥有先进的多功能动态材料试验台、碰撞和冲击装置、冲击管等设施。这些设备能够进行高度动态条件下的材料性能测试，为模拟仿真提供必要的环境。实验过程中，材料会被置于微秒甚至纳秒级别的时间尺度下，以模拟瞬态动力学过程，例如碰撞、冲击压力传播或太空飞行器受到的陨石冲击等。 #### 数值模拟与建模 除了实验测试外，EMI还利用数值模拟技术来辅助研究。这些技术主要包括： - **流体码**：这是一种特殊类型的数值方法，通过显式积分连续体力学本构方程，能够在计算机上模拟瞬态动力学过程。 - **有限元方法**（FEM）：用于解决复杂的几何形状和材料非线性问题。 - **有限差分方法**：适用于求解偏微分方程。 - **自由网格方法**：特别适用于模拟脆性材料的大变形和裂纹生成。 EMI还开发了专门的软件工具，例如CFD程序“阿波罗”(Apollo)，用于计算平稳流动以及与冲击波耦合的过程；自由网格程序“索菲亚”(Sophia)，则专为研究脆性材料的断裂行为而设计。 #### 典型应用案例 1. **汽车碰撞测试**：EMI能够对单独的汽车部件进行碰撞测试，无需将整个车辆摧毁。这样不仅降低了成本，还能更加细致地研究特定部件在不同载荷状态下的表现。 2. **气囊材料测试**：在真实碰撞情况下，气囊需在极短时间内展开。EMI的研究人员开发了一种方法，可以在高加载速度下测试气囊材料的性能，包括撕裂强度和透气性。这种方法对于优化气囊设计至关重要。 3. **太空防护研究**：面对太空垃圾和微小陨石对卫星和空间站构成的威胁，EMI研究了多层防护结构的有效性。通过模拟不同材质和结构配置下的碰撞情况，可以评估并优化防护措施。 #### 结论 通过结合实验测试与先进的数值模拟技术，恩斯特马赫研究所(EMI)在材料动态特性研究领域取得了显著成就。这些研究成果对于优化材料性能、提高产品安全性和可靠性具有重要意义。随着技术的进步，预计未来将会有更多创新性的研究方法被开发出来，进一步推动材料科学的发展。