閉孔泡沫鋁及其夾芯結(jié)構(gòu)的高溫力學(xué)行為研究.pdf

1、泡沫金屬材料具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)和聲學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋船舶、汽車工程等領(lǐng)域。然而，若從構(gòu)件的強(qiáng)度、吸能和維護(hù)等方面綜合考慮，單純的泡沫金屬無法作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件，通常要與傳統(tǒng)的致密金屬組成復(fù)合結(jié)構(gòu)才能實現(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，對泡沫金屬及其夾芯結(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

2、越廣泛的應(yīng)用需求。因此，深入研究泡沫金屬及其夾芯結(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。
　　 本文以實驗研究為主，結(jié)合理論分析和數(shù)值計算系統(tǒng)研究了在不同溫度環(huán)境下閉孔泡沫鋁及其夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。研究內(nèi)容主要包括四個方面:（一）不同溫度下閉孔泡沫鋁材料的靜動態(tài)力學(xué)性能、沖擊行為和塑性壓入力學(xué)行為;（二）不同溫度下泡沫鋁夾芯梁結(jié)構(gòu)的壓入和三點彎曲行為;（三）不同溫度下泡沫鋁夾芯板結(jié)構(gòu)的壓入和侵徹力學(xué)行為;（四）基于多

3、層復(fù)合結(jié)構(gòu)的夾芯板的多功能設(shè)計。主要討論了不同溫度條件下泡沫鋁及其夾芯結(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:
　　 采用MTS材料測試系統(tǒng)和SHPB實驗裝置，實驗研究了閉孔泡沫鋁材料在不同溫度下的準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)性能，得到了閉孔泡沫鋁材料力學(xué)性能隨溫度的變化關(guān)系?？紤]閉孔泡沫鋁在犧牲覆蓋層中的工程應(yīng)用，對梯度溫度場中閉孔泡沫鋁桿受剛性質(zhì)量塊撞擊時泡沫鋁材料中的沖擊波傳播建立了沖擊波模型，并利用有限元模擬對

4、理論模型進(jìn)行了驗證。探討了梯度溫度場中泡沫鋁桿臨界長度、臨界沖擊速度以及沖擊載荷等與溫度場分布的關(guān)系，并得到了給定長度的泡沫鋁桿臨界沖擊速度與桿兩端面溫差的關(guān)系的解析解，為閉孔泡沫鋁在犧牲覆蓋層等緩沖吸能結(jié)構(gòu)中的工程應(yīng)用設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。
　　 采用MTS材料測試系統(tǒng)，實驗研究了閉孔泡沫鋁材料在不同溫度下不同形狀壓頭作用時的塑性壓入力學(xué)行為。對比分析了不同溫度時泡沫鋁的壓入變形特征和變形機(jī)制，得到了泡沫鋁的塑性壓垮強(qiáng)度和能量吸

5、收對溫度的依賴關(guān)系，給出了既包含溫度影響也包含壓入深度影響的撕裂能的經(jīng)驗公式。采用量綱分析和有限元模擬方法，進(jìn)一步分析了與泡沫鋁球頭壓入響應(yīng)有關(guān)的物理量，得到了閉孔泡沫鋁在球頭壓入時的壓入載荷與溫度、泡沫鋁相對密度以及壓入深度的函數(shù)關(guān)系。
　　 采用MTS材料測試系統(tǒng)，實驗研究了泡沫鋁夾芯梁在不同溫度下的準(zhǔn)靜態(tài)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(shù)對夾芯梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，如壓頭半徑、面板厚度、芯層厚度和相

6、對密度等。將夾芯梁結(jié)構(gòu)的失效模式圖擴(kuò)展到高溫情況下，分析了泡沫鋁夾芯梁的初始失效模式圖隨溫度的變化趨勢，為進(jìn)一步預(yù)測夾芯梁的低速沖擊行為奠定了基礎(chǔ)，并為夾芯梁的優(yōu)化設(shè)計和工程應(yīng)用提供了理論參考。
　　 通過MTS準(zhǔn)靜態(tài)實驗，研究了復(fù)合材料面板閉孔泡沫鋁芯層夾芯板結(jié)構(gòu)的壓入和侵徹力學(xué)性能，考察了一些關(guān)鍵參數(shù)，如面板厚度、芯層厚度和相對密度以及壓頭形狀等，對夾芯板結(jié)構(gòu)的承載和吸能性能產(chǎn)生的影響，同時探討了邊界約束條件對夾芯板的載荷-

7、位移響應(yīng)的影響。結(jié)合落錘低速沖擊實驗，比較了夾芯板結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)和低速沖擊力學(xué)性能之間的差異。通過夾芯板在不同溫度下的準(zhǔn)靜態(tài)和低速沖擊實驗和壓入實驗，研究了溫度對泡沫鋁夾芯板結(jié)構(gòu)的變形/失效模式、承載和能量吸收性能的影響，探討了泡沫鋁夾芯板結(jié)構(gòu)在高溫下的動態(tài)力學(xué)性能和靜態(tài)力學(xué)性能之間差異。
　　 從泡沫金屬夾芯結(jié)構(gòu)的承載、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)展了多種可能的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型，并通