泡沫金屬夾芯結構的高溫沖擊行為和優(yōu)化結題摘要

泡沫金屬具有優(yōu)異的力學和熱學性能，廣泛應用于航空航天等領域。從構件的強度、吸能和維護等方面綜合考慮，泡沫金屬通常要與傳統(tǒng)的致密金屬組成復合結構才能實現(xiàn)最佳力學性能，多數情況下是作為夾芯結構的芯層材料。目前，對泡沫金屬夾芯結構的力學性能的研究主要集中在常溫條件下，而對其高溫力學性能的研究還比較匱乏。泡沫金屬具有作為空間飛行器中輕質承載吸能結構構件的潛在應用背景和越來越廣泛的應用需求。因此，深入研究泡沫金屬夾芯結構在高溫下的力學性能以及熱力耦合效應變得十分迫切。 本項目以實驗研究為主，結合理論分析和數值計算系統(tǒng)研究了在不同溫度環(huán)境下泡沫金屬夾芯結構的力學行為。研究內容包括：（1）梯度溫度場中泡沫金屬材料犧牲層的抗沖擊分析；（2）不同溫度下泡沫金屬夾芯梁的壓入和三點彎曲力學行為；（3）不同溫度下泡沫金屬夾芯板的壓入和侵徹力學行為；（4）基于多層結構的泡沫金屬夾芯板多功能設計。主要討論了不同溫度條件下泡沫金屬夾芯結構的變形/失效模式、承載和能量吸收性能，取得的主要成果如下： 實驗研究了泡沫金屬夾芯梁在不同溫度下的壓入和三點彎曲變形/失效行為和承載吸能性能，探討了一些主要參數對夾芯梁結構響應的影響。將夾芯梁結構的失效模式圖擴展到高溫情況下，得到了泡沫鋁夾芯梁的初始失效模式圖隨溫度的變化趨勢。 通過夾芯板在不同溫度下的準靜態(tài)和低速沖擊實驗和壓入實驗，研究了溫度對泡沫金屬夾芯板結構的變形/失效模式、承載和能量吸收性能的影響，探討了夾芯板結構在高溫下的動態(tài)力學性能和靜態(tài)力學性能之間差異。 從夾芯結構承載、吸能與隔熱等多功能綜合考慮出發(fā)，通過添加高效輕質的隔熱層氧化鋁纖維板發(fā)展了多種多層復合結構拓撲構型，并通過隔熱性能和承載吸能性能的比較進行了優(yōu)選。通過準靜態(tài)壓入實驗研究了傳統(tǒng)夾芯板和優(yōu)選的多層夾芯板結構在不同溫度下的壓入力學性能，得到了兩種夾芯板結構的承載和吸能性能隨溫度的變化關系。 2100433B

泡沫金屬夾芯結構作為輕質高性能吸能結構得到了廣泛應用，但現(xiàn)有工作主要集中在對其常溫力學行為的研究。然而，泡沫金屬夾芯結構具有作為航空航天飛行器中輕質承載吸能結構構件的潛在應用背景和越來越廣泛的應用需求，深入研究泡沫金屬夾芯結構在高溫下的力學行為以及熱力耦合效應變得十分迫切。此外，泡沫金屬夾芯結構可設計性強，還存在很大的學術研究空間，可根據功能和性能的需要對夾芯復合結構進行優(yōu)化設計。本項目致力于研究泡沫金屬夾芯結構的高溫力學行為，以“認識力學行為——發(fā)展理論模型——提出優(yōu)化方法”為主線，采用實驗研究、數值模擬和理論分析相結合的方法，探討泡沫金屬夾芯結構在高溫下的力學行為，研究泡沫金屬夾芯結構在高溫下的變形失效模式和承載吸能機理，建立實用的理論模型，指導泡沫金屬夾芯結構的承載、吸能和隔熱性能等多功能一體化優(yōu)化設計。該課題的研究對輕質結構的工程應用和多學科交叉發(fā)展均具有重要意義。

蜂窩夾層結構作為吸能構件在汽車領域應用日益廣泛。沖擊載荷作用下的抗撞性優(yōu)化問題是困擾汽車行業(yè)的一個難點，一是因為沖擊問題直接關系到結構的完整性和安全性；二是因為沖擊問題是強非線性問題。而蜂窩夾層結構的復雜構型，使的其抗撞性能與材質、容重、邊長、壁厚、夾角、高度等因素有很大關系。.本項目以解決蜂窩夾層結構抗撞性優(yōu)化問題為目標，重點圍繞形狀拓撲設計的關鍵性基礎理論問題進行研究。考慮到結構接觸－碰撞問題的復雜性，本項目將嘗試以漸進結構優(yōu)化方法、響應面法和其它無梯度算法等優(yōu)化設計方法為主體，對沖擊載荷作用下的波紋形、正六邊形、正四邊形和正三角形等一系列的蜂窩夾層結構進行抗撞性能的尺寸和形狀優(yōu)化，并對蜂窩夾層結構的夾芯構型進行抗撞性拓撲優(yōu)化，從而提出輕質、強忍、抗撞擊的創(chuàng)新夾層構型。試驗驗證的最優(yōu)結果有望用于車身設計，以適應汽車工業(yè)在輕量、安全、節(jié)能方面的發(fā)展主題。

本課題基于顯式有限元數值求解技術和代理模型方法，采用數值模擬和實驗驗證相結合的方法，對經典蜂窩夾層結構和波紋型蜂窩夾層結構（俗稱瓦楞板）進行了抗撞性優(yōu)化設計和對比研究。在研究經典蜂窩夾層結構時，首先對比了正六邊形蜂窩夾層板與純蜂窩結構的抗撞性能；其次采用析因設計方法篩選出對正六邊形蜂窩夾層板的抗撞性影響較大的結構參數，并以比吸能為目標指標、最大撞擊載荷為約束指標，采用響應面法對正六邊形蜂窩夾層板進行了抗撞性優(yōu)化設計；繼而對正四邊形蜂窩夾層板進行了有約束單目標和多目標抗撞性優(yōu)化設計，并對具有最優(yōu)構形的兩種經典蜂窩夾層板的抗撞性進行了對比研究。在研究波紋形夾層板時，首先以吸能量為目標函數對梯形和三角形元胞的形狀進行了優(yōu)化設計；然后采用響應面方法對具有最優(yōu)元胞形狀的梯形夾層板的尺寸參數進行了抗撞性優(yōu)化設計；最后對具有相同的面板厚度和夾芯層密度的兩種波紋夾層板在低速局部沖擊和平板沖擊兩種工況下的抗撞性進行了對比研究。本課題的研究方法對其他形式夾層板結構的抗撞性研究具有一定的理論參考價值，研究結果對工程實際應用中夾芯形狀和結構參數的選取具有重要的指導意義。 2100433B