泡沫金屬夾芯結(jié)構(gòu)的高溫沖擊行為和優(yōu)化中文摘要

泡沫金屬夾芯結(jié)構(gòu)作為輕質(zhì)高性能吸能結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用，但現(xiàn)有工作主要集中在對(duì)其常溫力學(xué)行為的研究。然而，泡沫金屬夾芯結(jié)構(gòu)具有作為航空航天飛行器中輕質(zhì)承載吸能結(jié)構(gòu)構(gòu)件的潛在應(yīng)用背景和越來越廣泛的應(yīng)用需求，深入研究泡沫金屬夾芯結(jié)構(gòu)在高溫下的力學(xué)行為以及熱力耦合效應(yīng)變得十分迫切。此外，泡沫金屬夾芯結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，還存在很大的學(xué)術(shù)研究空間，可根據(jù)功能和性能的需要對(duì)夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目致力于研究泡沫金屬夾芯結(jié)構(gòu)的高溫力學(xué)行為，以“認(rèn)識(shí)力學(xué)行為——發(fā)展理論模型——提出優(yōu)化方法”為主線，采用實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，探討泡沫金屬夾芯結(jié)構(gòu)在高溫下的力學(xué)行為，研究泡沫金屬夾芯結(jié)構(gòu)在高溫下的變形失效模式和承載吸能機(jī)理，建立實(shí)用的理論模型，指導(dǎo)泡沫金屬夾芯結(jié)構(gòu)的承載、吸能和隔熱性能等多功能一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)。該課題的研究對(duì)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用和多學(xué)科交叉發(fā)展均具有重要意義。

泡沫金屬具有優(yōu)異的力學(xué)和熱學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。從構(gòu)件的強(qiáng)度、吸能和維護(hù)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(fù)合結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)最佳力學(xué)性能，多數(shù)情況下是作為夾芯結(jié)構(gòu)的芯層材料。目前，對(duì)泡沫金屬夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能的研究主要集中在常溫條件下，而對(duì)其高溫力學(xué)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(zhì)承載吸能結(jié)構(gòu)構(gòu)件的潛在應(yīng)用背景和越來越廣泛的應(yīng)用需求。因此，深入研究泡沫金屬夾芯結(jié)構(gòu)在高溫下的力學(xué)性能以及熱力耦合效應(yīng)變得十分迫切。 本項(xiàng)目以實(shí)驗(yàn)研究為主，結(jié)合理論分析和數(shù)值計(jì)算系統(tǒng)研究了在不同溫度環(huán)境下泡沫金屬夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。研究?jī)?nèi)容包括：（1）梯度溫度場(chǎng)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(diǎn)彎曲力學(xué)行為；（3）不同溫度下泡沫金屬夾芯板的壓入和侵徹力學(xué)行為；（4）基于多層結(jié)構(gòu)的泡沫金屬夾芯板多功能設(shè)計(jì)。主要討論了不同溫度條件下泡沫金屬夾芯結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)研究了泡沫金屬夾芯梁在不同溫度下的壓入和三點(diǎn)彎曲變形/失效行為和承載吸能性能，探討了一些主要參數(shù)對(duì)夾芯梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。將夾芯梁結(jié)構(gòu)的失效模式圖擴(kuò)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(shì)。 通過夾芯板在不同溫度下的準(zhǔn)靜態(tài)和低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)和壓入實(shí)驗(yàn)，研究了溫度對(duì)泡沫金屬夾芯板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在高溫下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和靜態(tài)力學(xué)性能之間差異。 從夾芯結(jié)構(gòu)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(zhì)的隔熱層氧化鋁纖維板發(fā)展了多種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型，并通過隔熱性能和承載吸能性能的比較進(jìn)行了優(yōu)選。通過準(zhǔn)靜態(tài)壓入實(shí)驗(yàn)研究了傳統(tǒng)夾芯板和優(yōu)選的多層夾芯板結(jié)構(gòu)在不同溫度下的壓入力學(xué)性能，得到了兩種夾芯板結(jié)構(gòu)的承載和吸能性能隨溫度的變化關(guān)系。 2100433B

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)作為吸能構(gòu)件在汽車領(lǐng)域應(yīng)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(gè)難點(diǎn)，一是因?yàn)闆_擊問題直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的完整性和安全性；二是因?yàn)闆_擊問題是強(qiáng)非線性問題。而蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜構(gòu)型，使的其抗撞性能與材質(zhì)、容重、邊長(zhǎng)、壁厚、夾角、高度等因素有很大關(guān)系。.本項(xiàng)目以解決蜂窩夾層結(jié)構(gòu)抗撞性優(yōu)化問題為目標(biāo)，重點(diǎn)圍繞形狀拓?fù)湓O(shè)計(jì)的關(guān)鍵性基礎(chǔ)理論問題進(jìn)行研究?？紤]到結(jié)構(gòu)接觸－碰撞問題的復(fù)雜性，本項(xiàng)目將嘗試以漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法、響應(yīng)面法和其它無梯度算法等優(yōu)化設(shè)計(jì)方法為主體，對(duì)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(jié)構(gòu)進(jìn)行抗撞性能的尺寸和形狀優(yōu)化，并對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的夾芯構(gòu)型進(jìn)行抗撞性拓?fù)鋬?yōu)化，從而提出輕質(zhì)、強(qiáng)忍、抗撞擊的創(chuàng)新夾層構(gòu)型。試驗(yàn)驗(yàn)證的最優(yōu)結(jié)果有望用于車身設(shè)計(jì)，以適應(yīng)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(shù)值求解技術(shù)和代理模型方法，采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，對(duì)經(jīng)典蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和波紋型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)（俗稱瓦楞板）進(jìn)行了抗撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)和對(duì)比研究。在研究經(jīng)典蜂窩夾層結(jié)構(gòu)時(shí)，首先對(duì)比了正六邊形蜂窩夾層板與純蜂窩結(jié)構(gòu)的抗撞性能；其次采用析因設(shè)計(jì)方法篩選出對(duì)正六邊形蜂窩夾層板的抗撞性影響較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并以比吸能為目標(biāo)指標(biāo)、最大撞擊載荷為約束指標(biāo)，采用響應(yīng)面法對(duì)正六邊形蜂窩夾層板進(jìn)行了抗撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)；繼而對(duì)正四邊形蜂窩夾層板進(jìn)行了有約束單目標(biāo)和多目標(biāo)抗撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)具有最優(yōu)構(gòu)形的兩種經(jīng)典蜂窩夾層板的抗撞性進(jìn)行了對(duì)比研究。在研究波紋形夾層板時(shí)，首先以吸能量為目標(biāo)函數(shù)對(duì)梯形和三角形元胞的形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；然后采用響應(yīng)面方法對(duì)具有最優(yōu)元胞形狀的梯形夾層板的尺寸參數(shù)進(jìn)行了抗撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)；最后對(duì)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(jìn)行了對(duì)比研究。本課題的研究方法對(duì)其他形式夾層板結(jié)構(gòu)的抗撞性研究具有一定的理論參考價(jià)值，研究結(jié)果對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用中夾芯形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取具有重要的指導(dǎo)意義。 2100433B