泡沫金属夹芯结构的高温冲击行为和优化

泡沫金属具有优异的力学和热学性能，广泛应用于航空航天等领域。从构件的强度、吸能和维护等方面综合考虑，泡沫金属通常要与传统的致密金属组成复合结构才能实现最佳力学性能，多数情况下是作为夹芯结构的芯层材料。目前，对泡沫金属夹芯结构的力学性能的研究主要集中在常温条件下，而对其高温力学性能的研究还比较匮乏。泡沫金属具有作为空间飞行器中轻质承载吸能结构构件的潜在应用背景和越来越广泛的应用需求。因此，深入研究泡沫金属夹芯结构在高温下的力学性能以及热力耦合效应变得十分迫切。 本项目以实验研究为主，结合理论分析和数值计算系统研究了在不同温度环境下泡沫金属夹芯结构的力学行为。研究内容包括：（1）梯度温度场中泡沫金属材料牺牲层的抗冲击分析；（2）不同温度下泡沫金属夹芯梁的压入和三点弯曲力学行为；（3）不同温度下泡沫金属夹芯板的压入和侵彻力学行为；（4）基于多层结构的泡沫金属夹芯板多功能设计。主要讨论了不同温度条件下泡沫金属夹芯结构的变形/失效模式、承载和能量吸收性能，取得的主要成果如下： 实验研究了泡沫金属夹芯梁在不同温度下的压入和三点弯曲变形/失效行为和承载吸能性能，探讨了一些主要参数对夹芯梁结构响应的影响。将夹芯梁结构的失效模式图扩展到高温情况下，得到了泡沫铝夹芯梁的初始失效模式图随温度的变化趋势。 通过夹芯板在不同温度下的准静态和低速冲击实验和压入实验，研究了温度对泡沫金属夹芯板结构的变形/失效模式、承载和能量吸收性能的影响，探讨了夹芯板结构在高温下的动态力学性能和静态力学性能之间差异。 从夹芯结构承载、吸能与隔热等多功能综合考虑出发，通过添加高效轻质的隔热层氧化铝纤维板发展了多种多层复合结构拓扑构型，并通过隔热性能和承载吸能性能的比较进行了优选。通过准静态压入实验研究了传统夹芯板和优选的多层夹芯板结构在不同温度下的压入力学性能，得到了两种夹芯板结构的承载和吸能性能随温度的变化关系。 2100433B

泡沫金属夹芯结构作为轻质高性能吸能结构得到了广泛应用，但现有工作主要集中在对其常温力学行为的研究。然而，泡沫金属夹芯结构具有作为航空航天飞行器中轻质承载吸能结构构件的潜在应用背景和越来越广泛的应用需求，深入研究泡沫金属夹芯结构在高温下的力学行为以及热力耦合效应变得十分迫切。此外，泡沫金属夹芯结构可设计性强，还存在很大的学术研究空间，可根据功能和性能的需要对夹芯复合结构进行优化设计。本项目致力于研究泡沫金属夹芯结构的高温力学行为，以“认识力学行为——发展理论模型——提出优化方法”为主线，采用实验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法，探讨泡沫金属夹芯结构在高温下的力学行为，研究泡沫金属夹芯结构在高温下的变形失效模式和承载吸能机理，建立实用的理论模型，指导泡沫金属夹芯结构的承载、吸能和隔热性能等多功能一体化优化设计。该课题的研究对轻质结构的工程应用和多学科交叉发展均具有重要意义。

蜂窝夹层结构作为吸能构件在汽车领域应用日益广泛。冲击载荷作用下的抗撞性优化问题是困扰汽车行业的一个难点，一是因为冲击问题直接关系到结构的完整性和安全性；二是因为冲击问题是强非线性问题。而蜂窝夹层结构的复杂构型，使的其抗撞性能与材质、容重、边长、壁厚、夹角、高度等因素有很大关系。.本项目以解决蜂窝夹层结构抗撞性优化问题为目标，重点围绕形状拓扑设计的关键性基础理论问题进行研究。考虑到结构接触－碰撞问题的复杂性，本项目将尝试以渐进结构优化方法、响应面法和其它无梯度算法等优化设计方法为主体，对冲击载荷作用下的波纹形、正六边形、正四边形和正三角形等一系列的蜂窝夹层结构进行抗撞性能的尺寸和形状优化，并对蜂窝夹层结构的夹芯构型进行抗撞性拓扑优化，从而提出轻质、强忍、抗撞击的创新夹层构型。试验验证的最优结果有望用于车身设计，以适应汽车工业在轻量、安全、节能方面的发展主题。

本课题基于显式有限元数值求解技术和代理模型方法，采用数值模拟和实验验证相结合的方法，对经典蜂窝夹层结构和波纹型蜂窝夹层结构（俗称瓦楞板）进行了抗撞性优化设计和对比研究。在研究经典蜂窝夹层结构时，首先对比了正六边形蜂窝夹层板与纯蜂窝结构的抗撞性能；其次采用析因设计方法筛选出对正六边形蜂窝夹层板的抗撞性影响较大的结构参数，并以比吸能为目标指标、最大撞击载荷为约束指标，采用响应面法对正六边形蜂窝夹层板进行了抗撞性优化设计；继而对正四边形蜂窝夹层板进行了有约束单目标和多目标抗撞性优化设计，并对具有最优构形的两种经典蜂窝夹层板的抗撞性进行了对比研究。在研究波纹形夹层板时，首先以吸能量为目标函数对梯形和三角形元胞的形状进行了优化设计；然后采用响应面方法对具有最优元胞形状的梯形夹层板的尺寸参数进行了抗撞性优化设计；最后对具有相同的面板厚度和夹芯层密度的两种波纹夹层板在低速局部冲击和平板冲击两种工况下的抗撞性进行了对比研究。本课题的研究方法对其他形式夹层板结构的抗撞性研究具有一定的理论参考价值，研究结果对工程实际应用中夹芯形状和结构参数的选取具有重要的指导意义。 2100433B