泡沫金属夹芯结构的高温冲击行为和优化

Metallic foam sandwich structures as lightweight, high-performance energy-absorbing structures have been widely used in many areas, but current researches are focused mainly on understanding their mechanical behaviors at room temperature. However, the large potential and demands of metallic foam sandwich structures to be used in applications of lightweight load-carrying components in aircrafts and spacecrafts is the main reason and motivation to investigate their high temperature mechanical properties and their thermo-mechanical coupling effects urgently. Moreover, metallic foam sandwich structures have the characteristics of strong designability and there is still a lot of academic research space, and thus it is possible to optimize the composite structures of metallic foam sandwich structures with the requirements of functionality and performance. This project is focused on the mechanical behaviors of metallic foam sandwich structures at elevated temperatures and the main research ideas include understanding the mechanical behavior, developing the theoretical model and proposing the optimization method. This will be done mainly by carrying out experiments, together with theoretical analysis and numerical simulations. The deformation/failure modes and energy-absorbing mechanisms of sandwich structures at elevated temperatures will be studied. Practical theoretical models will be developed to guide the optimization of metallic foam sandwich structures. The optimization of metallic foam sandwich structures will be carried out based on an overall analysis of load carrying, energy absorption and thermal insulation. Finally, a new hybrid sandwich structure will be developed by inserting lightweight, efficient thermal insulating interlayers between the face sheets and the foam core. These investigations are significant for the engineering application of ultra-lightweight structures and the development of multidisciplinary.

泡沫金属夹芯结构作为轻质高性能吸能结构得到了广泛应用，但现有工作主要集中在对其常温力学行为的研究。然而，泡沫金属夹芯结构具有作为航空航天飞行器中轻质承载吸能结构构件的潜在应用背景和越来越广泛的应用需求，深入研究泡沫金属夹芯结构在高温下的力学行为以及热力耦合效应变得十分迫切。此外，泡沫金属夹芯结构可设计性强，还存在很大的学术研究空间，可根据功能和性能的需要对夹芯复合结构进行优化设计。本项目致力于研究泡沫金属夹芯结构的高温力学行为，以“认识力学行为——发展理论模型——提出优化方法”为主线，采用实验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法，探讨泡沫金属夹芯结构在高温下的力学行为，研究泡沫金属夹芯结构在高温下的变形失效模式和承载吸能机理，建立实用的理论模型，指导泡沫金属夹芯结构的承载、吸能和隔热性能等多功能一体化优化设计。该课题的研究对轻质结构的工程应用和多学科交叉发展均具有重要意义。

泡沫金属具有优异的力学和热学性能，广泛应用于航空航天等领域。从构件的强度、吸能和维护等方面综合考虑，泡沫金属通常要与传统的致密金属组成复合结构才能实现最佳力学性能，多数情况下是作为夹芯结构的芯层材料。目前，对泡沫金属夹芯结构的力学性能的研究主要集中在常温条件下，而对其高温力学性能的研究还比较匮乏。泡沫金属具有作为空间飞行器中轻质承载吸能结构构件的潜在应用背景和越来越广泛的应用需求。因此，深入研究泡沫金属夹芯结构在高温下的力学性能以及热力耦合效应变得十分迫切。.本项目以实验研究为主，结合理论分析和数值计算系统研究了在不同温度环境下泡沫金属夹芯结构的力学行为。研究内容包括：（1）梯度温度场中泡沫金属材料牺牲层的抗冲击分析；（2）不同温度下泡沫金属夹芯梁的压入和三点弯曲力学行为；（3）不同温度下泡沫金属夹芯板的压入和侵彻力学行为；（4）基于多层结构的泡沫金属夹芯板多功能设计。主要讨论了不同温度条件下泡沫金属夹芯结构的变形/失效模式、承载和能量吸收性能，取得的主要成果如下：.实验研究了泡沫金属夹芯梁在不同温度下的压入和三点弯曲变形/失效行为和承载吸能性能，探讨了一些主要参数对夹芯梁结构响应的影响。将夹芯梁结构的失效模式图扩展到高温情况下，得到了泡沫铝夹芯梁的初始失效模式图随温度的变化趋势。.通过夹芯板在不同温度下的准静态和低速冲击实验和压入实验，研究了温度对泡沫金属夹芯板结构的变形/失效模式、承载和能量吸收性能的影响，探讨了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。.从夹芯结构承载、吸能与隔热等多功能综合考虑出发，通过添加高效轻质的隔热层氧化铝纤维板发展了多种多层复合结构拓扑构型，并通过隔热性能和承载吸能性能的比较进行了优选。通过准静态压入实验研究了传统夹芯板和优选的多层夹芯板结构在不同温度下的压入力学性能，得到了两种夹芯板结构的承载和吸能性能随温度的变化关系。