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(wú)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(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(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(lái)

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(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)境下閉孔泡沫鋁及其夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。研究?jī)?nèi)容主要包括四個(gè)方面:（一）不同溫度下閉孔泡沫鋁材料的靜動(dòng)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(diǎn)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(jì)。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(cè)試系統(tǒng)和SHPB實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)研究了閉孔泡沫鋁材料在不同溫度下的準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)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(duì)梯度溫度場(chǎng)中閉孔泡沫鋁桿受剛性質(zhì)量塊撞擊時(shí)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(duì)

4、理論模型進(jìn)行了驗(yàn)證。探討了梯度溫度場(chǎng)中泡沫鋁桿臨界長(zhǎng)度、臨界沖擊速度以及沖擊載荷等與溫度場(chǎng)分布的關(guān)系，并得到了給定長(zhǎng)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(jì)提供了理論指導(dǎo)。
　　 采用MTS材料測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)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(shí)的塑性壓入力學(xué)行為。對(duì)比分析了不同溫度時(shí)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(duì)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(yàn)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(shí)的壓入載荷與溫度、泡沫鋁相對(duì)密度以及壓入深度的函數(shù)關(guān)系。
　　 采用MTS材料測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)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(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，如壓頭半徑、面板厚度、芯層厚度和相

6、對(duì)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(shì)，為進(jìn)一步預(yù)測(cè)夾芯梁的低速?zèng)_擊行為奠定了基礎(chǔ)，并為夾芯梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供了理論參考。
　　 通過(guò)MTS準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，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(duì)密度以及壓頭形狀等，對(duì)夾芯板結(jié)構(gòu)的承載和吸能性能產(chǎn)生的影響，同時(shí)探討了邊界約束條件對(duì)夾芯板的載荷-

7、位移響應(yīng)的影響。結(jié)合落錘低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)，比較了夾芯板結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)和低速?zèng)_擊力學(xué)性能之間的差異。通過(guò)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(dòng)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(guò)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