轻质泡沫金属复合结构的承载、吸能与隔热性能和多功能优化

本项目以近空间飞行器中泡沫金属复合结构的承载、吸能和隔热性能及其多功能优化为目标，以泡沫金属的细观结构与其宏观力学和热学性能、复合结构性能与其拓扑构型的关系等关键问题为突破点，考虑近空间飞行器的温度环境，研究高低温环境下材料的力学行为和能量吸收规律以及不同温度下泡沫金属的导热系数、热膨胀系数等与其非均匀性细观结构特征参数的关系；综合考虑承载、吸能和隔热性能，发展具有不同拓扑构型的泡沫金属复合结构，研究冲击和温度梯度造成的热力耦合对结构变形和破坏的影响，建立不同温度下这些结构的承载、吸能和隔热性能与结构拓扑构型和参数间的关系，探索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在超轻质条件下的多功能需求。本项目研究不仅有利于促进我国在近空间飞行器技术的发展，还能促进实验力学、冲击动力学等相关基础研究的发展，具有重要的理论和实际意义。

泡沫金属是一类结构和功能一体化材料，具有很强的可设计性，可用于超轻结构和冲击吸能。本项目以近空间飞行器中泡沫金属及其复合结构的承载、冲击吸能、隔热性能和多功能优化为研究目标，以“细观-动态-高温-结构-优化”为主线开展了系统而深入的研究，取得了预期的研究成果。(1) 建立了二维/三维细观有限元模型，并发展了局部应变场的表征方法；提出了尺寸不规则度、形状不规则度等细观参数; 形成了通过对细观模型的虚拟实验研究泡沫金属力学行为的系统方法。(2) 对多胞材料动态压溃行为进行了深入研究，发展了冲击波分析模型；提出了变形模式的定量描述，得到了不同冲击速度下的变形模式图；以“多胞材料动态压溃”为主题发表了系列论文。特别是，通过对连续体/细观模型动态压溃行为的多尺度分析和比较发现多胞金属特有的一种新的率敏感性，并揭示其机理是细观变形模式对加载速率的依赖性。(3) 实验测试了不同温度下泡沫金属准静态和动态压缩应力应变曲线、导热系数和线膨胀系数；获得了泡沫金属含温度和应变率效应的本构模型；分析了孔隙率、孔形状等宏观/细观参数的影响，通过分析残余拉应力和氢化物相变揭示了热膨胀机理。(4) 实验测试了夹芯板/梁等轻质复合结构在准静态加载/低速冲击下的承载、吸能能力，着重研究了温度的影响，理论/数值分析了结构失效模式。(5) 提出了多胞包层结构、梯度多胞结构、多功能夹芯结构等多种轻质耐撞性结构在抗爆炸/抗冲击/热防护等方面的优化设计方法。本项目的研究促进了近空间飞行器技术的发展，也促进了实验力学、冲击动力学等相关基础研究的发展，具有重要的理论和实际意义。