梯度温度场中闭孔泡沫铝的冲击行为

泡沫金属材料可以在较低的几乎恒定的应力水平下通过较长的塑性变形行程耗散大量的爆炸和冲击能量，这种优越的性能使得其在航空航天飞行器、高速列车、汽车、舰船以及人体防护和军事防护工程中的缓冲装置、减震设施以及保险杠等安全装置中都有广泛的应用前景，其中一个很重要的应用就是作为牺牲覆盖层来保护主体结构经受冲击和爆炸载荷时的安全。

不同的材料和结构都被用作牺牲覆盖层结构的设计，包括"网格状”夹层钢板结构薄壁管芯层结构，双层泡沫结构，可回收的空金属饮料罐结构,不同几何形状的空管或泡沫填充复合材料管结构等。泡沫金属材料作为覆盖层结构在最近的研究中受到广“泛关注”。泡沫铝材料在高温环境中具有广阔的应用前景，其复合结构也可望作为近空间飞行器中的重要结构部件。然而，由于结构内外温差的存在，在泡沫材料内部会产生温度梯度。如上节所述，不同温度下的泡沫铝材料的力学性能也不一样，因此温度梯度的存在会对泡沫材料的冲击力学行为产生较大的影响。事实上，温度梯度对材料性能的影响在已有研究工作中已经得到充分的体现：Hayashi通过实验发现某薄壁圆筒碳钢处于梯度温度场中的疲劳寿命比在高温恒温场中疲劳寿命要短;研究也发现温度梯度会强烈影响到裂纹扩展速率。所以，当材料或结构内部存在温度梯度时需要特别考虑温度梯度的影响。Li和Meng研究了泡沫材料板用来防护结构安全时的冲击增强现象。即使在不考虑应变率效应和惯性效应的情况下，材料中的应力会随着冲击波前的传播而急剧增大,从而导致传递到主体结构的压强也增大。为了解释泡沫金属材料中出现的冲击波传播现象与其动态冲击行为的关系,研究者们对于泡沫金属中的冲击(压缩)波的传播提出了许多种不同的分析方法和理论模型。Reid和Peng提出一个简单一维冲击波模型来解释木材试件冲击刚性面时的冲击强度随速度提高而增强的现象,他们假定木材是一种率无关的-刚性-理想塑性-锁定应变的材料，简称为R-P-P-L模型。模型中主要包含两个关键参数：平台应力σp1和锁定应变εL,其中后者被假定与压实应变εd相等。

通过研究泡沫材料中压缩波的传播可以来预测覆盖结构中泡沫材料层的变形和能量吸收,这种想法最早由Hanssen等人提出，后来也被应用到研究泡沫芯层夹心板结构中。需要说明的是，利用冲击波模型来描绘多孔材料压溃的正确性是取决于加载速率和材料性能的。Tan等人定义了形成稳态冲击波的临界冲击速率。针对不同的冲击加载速率，Zheng等人也提出了两种不同的模型：冲击模型和过渡模型。而实际应用中的能量吸收装置一般用来衰减具有很大初始速度的撞击,
最终吸收全部的初始冲击动能。在这种情况下，施加在泡沫板上冲击速度是随着时间衰减的，在整个冲击过程中不再满足恒速条件。

本节利用闭孔泡沫铝材料在不同温度下的力学性能,设计具有温度梯度的泡沫金属材料,对梯度泡沫金属材料中冲击波的传播建立了相应的理论模型，并利用数值实验对理论模型进行验证。考虑闭孔泡沫铝在牺牲覆盖层中的实际应用，本节中只探讨一种冲击工况：刚性质量块冲击静止的闭孔泡沫铝杆。