大型复杂曲面异质金属轻质结构夹层板的制造研究

夹层板具有广阔的比刚度、材料组合设计范围，具有承载、隔热、吸收冲击等多种用途。在高速列车车厢夹层板中的应用，可以吸收振动冲击能量，提高乘坐舒适性；在航天飞行器热防护系统中的应用，可保护航天器再入大气过程中，舱体表面温度不高于200℃；在夹层结构抗爆炸器材中的应用，可以通过夹层结构的吸能，显著降低器材表面的变形；夹层板的应用与设计中，经常需要追求多种性能目标，一方面关注夹层板总体变形能力，另外还需要约束夹层板局部变形量；夹层板的周期性结构特征，可使用有限元等效方法研究其力学性能。本项目开展了高速列车车厢夹层断面结构多目标优化设计研究、一体化热防护系统夹层板的优化设计研究、激光深熔焊不锈钢/铝合金焊缝组织与性能研究、异质金属夹层板的动态抗撞性能研究、泡沫铝夹芯圆筒抗爆性能研究等方面的研究以及ITPS波纹夹层板弹性和热性能等效方法研究。研究结果表明：①Pareto解集中的夹层板结构比拓扑优化得到的夹层板结构的性能提高了8.21%到33.58%，为不同运行速度和工况下的高速列车车厢断面结构设计提供了多种选择方案。②与典型ITPS夹层板结构相比，新型ITPS夹层板结构面密度减少了30.43%，高度降低了12.55%，达到了减轻热防护系统重量的目的。③由于Ni涂层的阻挡作用，Al元素在界面处与Ni形成了NiAl化合物及Fe-Cr-Ni固溶体，降低了Al元素与Fe元素相互结合的可能性，抑制了Fe-Al金属间化合物的大量生成。④当夹层板面板厚固定时，夹层板的比吸能抗撞性能随着夹芯角度α、β的增大而增大，夹芯角度参数对夹层板的比吸能抗撞性能影响要比板厚的影响显著。为了提高夹层板的比吸能抗撞能力，应在保证夹层板有足够强度的基础上，尽量的减薄面板的厚度D。⑤在相同重量和相同炸药量的条件下，由A3钢与闭孔泡沫铝制成的夹芯圆筒比由A3钢制成的实体圆筒具有更优越的抗爆性能；在变形方面，夹芯圆筒的整体变形小于实体圆筒。⑥采用有限元方法对不同温度下夹层板材料常数进行了等效。对不同温度下等效前后模型的弯曲响应进行比较，误差在4%以内，验证了该方法的有效性。 本项目的研究过程中，发表（录用）文章17篇，其中SCI源刊4篇，EI源刊9篇，国际会议（EI收录）2篇；授权专利2项，申请专利1项。培养博士研究生3人、硕士研究生8人，已经毕业硕士研究生毕业5人。 本项目研究达到了项目计划书中的预期研究成果。 2100433B

本项目以大型复杂曲面异质金属轻质结构夹层板的制造和性能表征为目标，开展轻质结构夹芯基于快速成型间接制造的工艺研究，轻质结构夹层板的异质金属激光深穿透焊接组装工艺研究，夹层板强动载荷动态特性表征研究，重点解决三方面的关键问题：（1）大型复杂曲面轻质结构基于快速成型间接制造工艺及精度传递规律；（2）大型复杂曲面轻质结构夹层板组装工艺及异质金属激光深穿透焊接工艺优化机理，如：激光深穿透焊接异质金属中的能量传输与温度场分布，异质金属激光深穿透焊接界面金属扩散与金属间化合物生成量的协调控制，异质金属激光深穿透焊接熔质成分分布与熔池流动特征，大型夹层板激光深穿透焊接应力的产生、演化规律；（3）基于几何构型特征的异质金属轻质结构夹层板在强动载荷下的动态响应和变形机制。本项目研究的大型复杂曲面异质金属轻质结构夹层板在交通、微电子、海洋采油、航空航天、生物、医疗、建筑等高科技及高技术领域中有着重要的意义。

20世纪20年代有人提出关于夹层板壳的设想，但由于制造工艺复杂而未能推广。从40年代起，夹层板壳作为一种重要的结构形式出现于航空、航天、航海等工程中。C.A.诺索夫、N.J.霍夫、E.瑞斯纳、C.利伯夫和S.巴特多夫等学者，对夹层板壳的力学理论进行了广泛的研究。

本项目针对大功率海洋动力定位装备、大推力火箭发动机等高服役性能装备中大型复杂结构件的焊接制造难题，开展高功率激光焊接基础问题研究，丰富和完善大型复杂结构件高功率激光焊接制造控形控性的理论和技术基础，提升高功率激光焊接制造的科学性。重点探索高功率激光作用下快速熔化凝固过程中多物态传热传质机理，寻求焊接熔池小孔稳定性的动力学条件；基于连续冶金反应模型和多相流数值模拟，定量预测熔凝区形状、成分和组织；研究接头微观组织演变规律，掌握接头微观组织及介观熔凝区形状与力学性能相关性规律；建立面向拼装状态和动态工况的复杂结构件高功率激光焊接参数在线生成与实时控制方法；最终实现大型复杂结构件高功率激光焊接制造的精确控形控性。

金属点阵夹层板结构对强激光的防护还是一个新概念，其重要的工程价值还没有被认识到。本项目拟对点阵夹层板抗强激光加固机理开展实验与数值模拟研究，掌握激光辐照点阵夹层板破坏效应的实验方法与测量技术，发展气动环境下点阵夹层板的激光辐照破坏效应流热固耦合数值计算方法，揭示金属点阵夹层板抗激光加固机理，获取结构几何参数、材料参数、激光参数与环境参数等四个方面对点阵夹层板抗激光加固性能的影响规律。在此基础上，对结构进行优化设计，获得激光辐照下点阵夹层板最优结构与材料参数，提出能够有效改善结构激光防护性能的工程方案。预期的研究成果有望推动点阵夹层板结构在高速飞行器抗激光加固设计中的应用。