一百零三、闭孔泡沫铝及其夹芯结构的高温力学行为研究

泡沫金属和泡沫金属夹芯结构具有轻质和高比刚度、高比强度、高能量吸收等优点，同时还兼具隔热、隔音、吸声、减振、电磁屏蔽等功能，并且可循环利用、无毒环保，在航空航天、交通运输、汽车舰船以及包装工程等一般工业领域及高技术领域都得到了越来越广泛的应用。本文以近空间飞行器中泡沫金属复合结构的承载、冲击吸能和隔热性能及其多功能优化为研究目标，针对高温环境下泡沫金属和泡沫金属夹芯结构的力学响应这一国内外学者几乎未曾涉及的重要课题，首先探索了温度对泡沫金属力学性能的影响，得到不同温度下泡沫金属材料的力学行为和能量吸收规律，为泡沫金属夹芯结构的工程应用设计及其在特殊服役环境下的优化设计提供了理论和技术支持；然后系统研究了泡沫金属夹芯梁结构以及泡沫金属夹芯板结构在不同温度环境下的变形和失效模式、承载和吸能性能。在此基础上，综合考虑承载、吸能和隔热性能，通过添加高效轻质的隔热层如氧化铝纤维板等发展具有不同拓扑构型的泡沫金属多层复合结构，并通过隔热性能比较进行初步优选，最后通过实验研究了多层夹芯结构在不同温度下的压入力学性能，建立不同温度下结构的承载、吸能和隔热性能与结构拓扑构型间的关系，建立轻质泡沫金属复合结构多功能优化设计的方法，以满足近空间飞行器对材料的超轻质多功能需求。

1.对闭孔泡沫铝的高温力学性能进行了研究

对闭孔泡沫铝材料在高温下的准静态和动态力学性能进行了实验研究，结果表明闭孔泡沫铝材料具有明显的温度软化效应。在准静态和动态实验温度范围内，闭孔泡沫铝的屈服强度和平台应力都随着温度的升高而线性降低，这种随着温度升高而出现的软化效应是与泡沫铝的晶界滑移有关的。而闭孔泡沫铝的准静态压实应变则对环境温度的变化不敏感。

根据材料性能实验中得到的闭孔泡沫铝力学性能随温度的变化关系，基于闭孔泡沫铝在牺牲覆盖层中的工程应用，本章同时研究了梯度温度场中闭孔泡沫铝杆受刚性质量块冲击作用时的响应。对梯度温度场中泡沫铝材料中的冲击波的传播建立了相应的冲击波模型，并利用有限元模拟对理论模型进行了验证。分别研究了梯度温度场中泡沫铝杆的临界长度、临界冲击速度以及冲击载荷等与温度场分布的关系，数值计算结果与理论模型预测较好地吻合。同时得到了给定长度的泡沫铝杆临界冲击速度与杆两端面温差的关系，为闭孔泡沫铝在牺牲覆盖层等缓冲吸能结构中的应用设计提供理论指导。

2.对闭孔泡沫铝的高温压入力学性能进行了研究

研究了闭孔泡沫铝在两种不同形状压头(FEP和SEP)不同环境温度下的塑性压入力学响应，并与其在不同温度下的单轴压缩响应进行了比较。对于不同温度下的FEP压入和SEP压入，闭孔泡沫铝的变形机制和宏观形态都没有发现明显的区别，不同温度下的压入实验形成的撕裂线的长度也没有明显变化。由于泡沫铝较大的胞元尺寸，想要对撕裂线的长度在不同温度下的变化进行定量研究是不现实的。实验结果发现闭孔泡沫铝的塑性坍塌强度、撕裂能以及能量吸收都有明显的温度依赖性。随着温度的升高，闭孔泡沫铝的塑性坍塌强度和能量吸收都逐渐降低。撕裂能大小取决于温度同时随着压入深度变化。通过对不同温度下的压入实验结果进行拟合，最终给出了既包含温度影响也包含压入深度影响的撕裂能的经验公式。

同时对闭孔泡沫铝的球头压入行为进行了进一步分析。基于不同温度下的SEP压入力学实验结果，通过分析与泡沫铝球头压入响应有关的物理量，运用量纲分析的方法得到了闭孔泡沫铝压入响应量的无量纲关系，并采用有限元计算探讨了闭孔泡沫铝的塑性压入力学响应，得到了闭孔泡沫铝的基本材料参数(如压实应变等)对其压入载荷-压入深度曲线的影响以及实验温度对其塑性压入力学行为的影响，并分别给出了闭孔泡沫球头压入时的无量纲压入载荷与相对密度和压入深度的函数关系以及闭孔泡沫铝平台应力与相对密度和温度的关系。最终得到了闭孔泡沫球头压入时的压入载荷与实验温度、泡沫铝相对密度以及压入深度的函数关系。

3.对泡沫铝夹芯梁结构的高温力学性能进行了实验研究

通过实验研究了1060纯铝面板、闭孔泡沫铝芯层夹芯梁在不同温度下的准静态压入和三点弯曲变形失效行为以及承载性能，为进一步预测夹芯梁的低速冲击行为奠定了基础，并为夹芯梁的优化设计和工程应用提供理论参考。不同温度下刚性支撑的泡沫铝夹芯梁的压入力学响应与夹芯梁压入理论分析解吻合较好，验证了谢中友的理论模型和结果的有效性，可以较好地预测夹芯梁的压入响应。为了考虑夹芯梁压入响应中由于膜力引起的夹芯梁整体屈曲的影响，实验同时对简单支撑夹芯梁的压入力学性能进行了研究，探讨了一些主要参数对结构压入响应的影响，如压头半径、面板厚度、芯层厚度和相对密度及面板材料等。

另外还通过实验研究了1060纯铝面板、闭孔泡沫铝芯层夹芯梁在不同温度下的准静态三点弯曲性能。将失效模式图扩展到高温情况下，得到泡沫铝夹芯梁的初始失效模式图随温度的变化趋势。其他因素不变，随着温度的升高，夹芯梁结构更容易发生面板屈服失效模式，芯层剪切模式涉及的范围被大大压缩。根据修正的Gibson模型预测的夹芯梁结构的极限载荷和实验结果所得极限载荷比较发现，芯层剪切模式分析结果和实验数据很好地吻合，说明泡沫铝夹芯梁的最终失效破坏主要是由于芯层剪切引起的。

4.对泡沫铝夹芯板结构的高温侵彻性能进行了实验研究

实验研究了复合材料面板、闭孔泡沫铝芯层的夹芯方板以及1060纯铝和2A12铝合金面板、闭孔泡沫铝芯层夹芯圆板的准静态侵彻和低速冲击力学性能，为夹芯板结构的优化设计提供初步的实验基础。首先进行了一些初步的参数研究，探讨了冲击能量、上下面板厚度、芯层厚度和芯层相对密度以及压头形状对夹心板结构的承载和吸能性能产生的影响，并引入能量吸收效率因子来评估夹心板结构的吸能性能。然后进行了1060纯铝面板和2A12铝合金面板、闭孔泡沫铝芯层的夹芯圆板在不同温度下的准静态和低速冲击实验来研究温度对泡沫铝夹芯板结构的变形和失效模式，承载和能量吸收性能的影响，探讨泡沫铝夹芯板结构在高温下的动态力学性能和静态力学性能之间差异。