冲击载荷作用下泡沫铝孔隙梯度优化设计

National aerospace project, including ballistic missile, novel satellite and airship, demand an urgent requirement on the impact energy dissipation capacity in narrow space. This project proposes the density-graded aluminum foam to meet this technique challenge. However, the quantitatively regulation of the gradient and the optimization of available gradient for divers impact condition are the principal barriers to apply these aluminum foam in these aerospace project. This project attempts to propose the thermal conductivity analytical model so as to build the relationship between the control functions and the obtained gradient. Then, the impact experiments, analytical model and numerical model were employed to explore the impact behaviors of graded aluminum foam and the optimization method of density gradient. Furthermore, this project is going to optimize the density gradient in the available range to achieve the high impact energy efficiency, so as to meet the requirement of national high-tech projects.

国家特种导弹、新型卫星平台、载人航天返回舱对狭小空间内高、低速冲击能量吸收提出迫切需求，申请人提出采用可在最大允许应力下实现高吸能效率的梯度泡沫铝合金来满足需求，其应用的主要障碍是： (1)难以对梯度定量控制和调节； (2)针对多样化的冲击吸能需求，如何在可实现的范围内优化孔隙梯度实现高吸能效率。本项目试图建立含有孔隙率实时演变变量的铝熔体泡沫凝固解析模型，通过改变温度边界函数、泡沫长大函数对孔隙梯度定量调节和预测；采用冲击实验、解析模型和有限元模型结合的方法探索梯度泡沫材料冲击响应和理想条件下的梯度优化；采用反演分析的方法获得在可制备实现范围内实现最大吸能效率的孔隙梯度，并根据熔体泡沫凝固模型反推孔隙梯度形成的控制参数，实现冲击吸能需求－梯度结构优化－制备控制参数的一体化设计，满足国家高技术项目需求。

泡沫铝材料具有轻质、高比强、冲击能量吸收等多功能兼容特性，在航天等领域获得创新应用。但现有均匀结构泡沫铝材料无法满足高技术项目对紧凑空间、低冲击应力、高冲击能量吸收能力的新需求，为此本项目提出泡沫铝多孔结构梯度设计来提高性能。.本项目建立了含有孔隙率实时演变变量的铝熔体泡沫凝固解析模型，通过改变温度边界函数、泡沫长大函数对孔隙梯度定量调节和预测；采用冲击实验、解析模型和有限元模型结合的方法探索梯度泡沫材料冲击响应和理想条件下的梯度优化；采用反演分析的方法获得在可制备实现范围内实现最大吸能效率的孔隙梯度，并根据熔体泡沫凝固模型反推孔隙梯度形成的控制参数，实现泡沫铝梯度设计和制备，满足国家高技术项目需求。.研究发现，通过对发泡剂释气动力学特性的标定，结合实验建立不同发泡剂特性下熔体泡沫生长曲线的对应关系，在此基础上发展的铝熔体泡沫传热凝固模型，模型预测的孔隙率梯度和实验相符合；进一步建立孔结构梯度和压缩应力的关系，从而实现对准静态应力应变曲线的预测；通过冲击试验发现，正梯度的泡沫铝产生理想的吸能力/位移曲线，而均匀泡沫铝在冲击条件下产生的应力随冲击位移增加而逐步下降，从而我们可以根据冲击载荷条件，设计相应的梯度结构获得最优的吸能效果，冲击应力下降15%，冲击位移减少约20%；另外，研究发现径向梯度的泡沫铝填充薄壁管具有更好的冲击能量吸收能力，同样质量条件下，吸能能力增加24%。.通过本项目的开展发现，自然界中广泛采用的梯度多孔结构，不仅仅可以在相同质量条件下承担更多的载荷，也可以在同样冲击条件下产生更小的冲击应力和冲击变形。