综述：冲击载荷下泡沫铝及其复合结构的数值模拟：从几何模型到工程应用

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Numerical simulation of aluminum foam and its composite structures under impact loads: From geometric models to engineering applications

本综述系统梳理了泡沫铝（AF）及其复合结构在冲击载荷下的数值模拟研究进展，从几何建模（Gibson-Ashby、Kelvin、Voronoi、Micro-CT）、材料本构、主流数值方法（FEM、SPH）到典型应用场景（低/中/高速、超高速、爆炸冲击），为高性能抗冲击材料与结构的设计提供了从理论到工程的全面指导，是材料科学与冲击工程领域的重要参考文献。

　　

几何模型与材料属性

泡沫铝（AF）是一种由铝（Al）或铝合金基体与大量孔隙组成的轻质多孔材料，具有低密度、高比强度、良好能量吸收和阻尼特性。由于其相对较低的力学性能和耐腐蚀性，AF常与致密金属或复合面板结合形成增强复合结构用于工程应用。对AF及其复合结构冲击性能的模拟，精确表征几何特征和材料本构行为至关重要。

AF的几何模型

Gibson-Ashby模型

该模型是早期经典的微观结构模型，由12个支柱和6个面组成。其基本原理是将此类材料视为颗粒（或孔隙）和基体组成的复合结构，通过模拟颗粒（或孔隙）和基体的力学性能来推导整个材料的力学性能。当孔隙率大于75%时，基于该模型的模拟结果与经典公式（E^GA = (1-ρ)²）的偏差小于5%。该模型已广泛应用于颗粒复合材料和多孔材料力学性能的研究，但其不能捕捉细观机制，且假定各向同性行为。

Kelvin模型

该模型（规则十四面体模型）被广泛用于研究AF的力学性能。这种理想化的周期性单元细胞具有6个四边形面和8个六边形面。其显著优势在于其几何形状与真实泡沫相似（可比边缘/面数）且具有空间填充周期性。这使得通过单单元分析可以预测直至极限应力的压缩响应。然而，模型的周期性和理想化引入了局限性，它未能捕捉真实泡沫的结构随机性，降低了其预测精度，例如会高估模量并扭曲平台区域。

Voronoi模型

该模型已成为模拟AF随机结构特征的关键工具。它基于空间镶嵌：在给定区域内随机生成一组点，每个点对应一个Voronoi单元。该几何结构可以方便地转换为具有与真实AF高度相似拓扑特征的随机框架模型。其准确性已通过实验和模拟数据的对比得到很好验证。然而，该模型也存在局限性，其生成的细胞边缘呈现尖锐的直或平面边界，与真实泡沫细胞中常见的以弧形边界为主严重对比，易在模拟中诱发非物理应力集中。

Micro-CT-based模型

基于微计算机断层扫描（Micro-CT）三维重建的建模技术是目前最精确的方法。其核心在于能够近乎无损地（1:1比例）再现泡沫材料内部复杂的孔隙拓扑结构和空间分布。该技术对于研究复杂结构的闭孔AF特别有前景，它可以提供高空间分辨率的三维结构信息而无需损坏样品，并允许在原位观察载荷或环境影响下的结构演变。直接从真实样品生成的模型在其他理想化或随机模型方面在结构细节的真实性和整体几何精度方面表现出色。

模型选择

AF建模方法的选择很大程度上取决于模拟的具体目标，关键考虑是平衡几何精度和计算效率之间的权衡。Gibson-Ashby模型采用半经验宏观均匀方法，计算效率高，适用于大规模结构分析。Kelvin模型通过周期性均匀单元细胞表示泡沫，在效率和模拟细观尺度力学行为能力之间取得了更好的平衡。Voronoi镶嵌方法通过生成不规则细胞几何有效引入结构随机性，与周期性模型相比，能提供更真实的变形模式和局部效应预测。Micro-CT建模从扫描数据重建实际泡沫结构，能够提供最高的几何保真度和预测精度。

复合结构的几何模型

在工程应用中，AF主要通过三种典型配置实现结构功能：AF夹层板（AFSPs）、AF填充管以及由AF作为核心与各种其他基本结构元件组成的混合结构。

AFSPs作为复合结构中最常见的形式，其几何模型具有明显的三层构造特征：顶部和底部是高强度薄面板，中间夹着AF芯材，形成经典的“三明治”配置。AF芯材具有多孔网络结构，其孔径大小可从微观尺度（微米级）到宏观尺度（毫米级）显著变化，且孔形态多样，涵盖闭孔、开孔和半开孔结构。

AF填充管结构使用具有圆形、方形或多边形横截面的金属管作为外壳，管的整个内部填充AF材料。填充金属管的过程可以通过不同的方法实现，如连续轴向填充和部分分段填充。在不同载荷条件下，AF填充管表现出协同承载机制。

混合AF结构通过创造性地组合夹层板和填充管等基本结构单元来创建多级几何配置，从而实现广泛的定制力学性能。其模型主要包括空间堆叠型和分级嵌套型。

材料性能模拟

在准静态压缩载荷下，AF的典型行为可分为三个阶段：线性弹性变形、塑性平台区域和致密化阶段。在动态冲击条件下，由于材料的应变率硬化效应和孔隙内气体的绝热压缩效应，平台应力显著增加。然而，不同相对密度的AF材料也表现出 distinct 的材料性能。由于其内部有大量孔隙，材料强度不足，因此在外力作用下容易发生不可逆的损伤和完整性丧失。因此，AF常与其他结构结合使用，形成复合结构。

金属材料

在AF复合结构领域，金属材料因其独特优势而被巧妙利用，这弥补了纯AF在强度、刚度、韧性或功能方面的不足。在实际应用中，金属材料通常被加工成各种部件，如夹层板的面板、结构所需的管道、型材和波纹板。这些部件不仅为整个结构提供了优异的高强度和高刚度支撑，还有效地保护内部泡沫芯材免受外部环境的侵蚀和损坏。其中，铝合金因其轻质、高强度、良好的塑性和优异的耐腐蚀性，成为AF复合结构中最常用的金属材料之一。除了铝合金，其他金属材料也在AF复合结构中得到了广泛应用，例如低碳钢、不锈钢等。

非金属材料

除了金属材料，非金属材料与AF芯材巧妙结合形成的复合结构在提高抗冲击性方面也展现出显著优势。在这些非金属材料中，高性能纤维增强复合材料深受研究人员青睐。例如，由6063-T6铝合金和碳纤维增强塑料（CFRP）作为外壁的AF填充管状结构，以及由AF芯材和两层碳纤维/环氧树脂复合板组成的夹层梁结构。此外，聚氨酯作为一种高分子量聚合物材料，因其柔韧性和能量吸收能力已被研究人员用于研究AF的抗冲击性。

模拟方法

模拟流程

FEM

有限元法（FEM）是模拟AF冲击性能最常用的数值方法之一。整个过程始于明确定义研究目标，随后建立包括泡沫芯材和固体涂层在内的几何模型。完成几何建模后，将模型导入有限元软件进行后续分析。在材料属性方面，泡沫芯材和固体涂层通常被视为各向同性材料。单元类型的选择至关重要，对于泡沫芯材，通常使用实体单元进行模拟，但一些特定的建模方法必须根据泡沫的类型进行调整。接触界面的设置是关键步骤，必须根据泡沫芯材和固体涂层之间粘结界面的实际状态来定义。网格划分策略直接影响计算精度和效率。给定冲击问题的瞬态和高非线性特性，通常使用显式求解器（如LS-DYNA和ABAQUS）来确保成功收敛。

SPH

光滑粒子流体动力学（SPH）是一种无网格拉格朗日粒子方法，在模拟涉及极端变形、断裂和复杂材料失效的问题方面具有独特优势。其核心思想是将连续介质离散化为一系列相互作用的粒子，并使用核函数来近似场变量及其空间导数的解。这完全避免了传统FEM中因网格扭曲而导致的计算中断问题。该方法天然适用于处理材料大变形、破碎、飞溅和复杂的自接触现象。AF的冲击响应具有高度的应变率依赖性，这使得本构模型的选择至关重要，并受冲击速度范围的影响。

新兴数值方法简要展望

除了FEM和SPH，一系列新兴数值方法正获得越来越多的关注，以更准确、更高效地捕捉AF在极端载荷下的复杂力学行为。

离散元法（DEM）将材料视为由不同类型相互作用的粒子组成的系统，为直接模拟泡沫骨架的断裂、细胞的坍塌和碎片的相互作用提供了独特的“细观”视角。

物质点法（MPM）是一种结合了拉格朗日和欧拉方法优势的无网格粒子技术，它避免了SPH的拉伸不稳定性问题，同时能够处理极端变形和穿透现象。

近场动力学（PD）是一种基于积分方程构建的非局部连续介质理论，天生适用于模拟自发裂纹的萌生和扩展。

等几何分析（IGA）利用非均匀有理B样条（NURBS）作为其形函数，实现了几何表示和分析建模的无缝集成。

机器学习（ML）方法正在成为解决高保真数值模拟相关的大量计算成本问题的变革性工具。

AF模拟实例

低速冲击

在低速冲击领域，AF的变形行为类似于准静态加载，惯性效应极小。在此速度范围内，材料能量吸收的核心机制源于细胞壁结构的逐渐弯曲、屈服和塑性坍塌，最终导致相对均匀的压实变形。虽然可能存在应变率强化效应，但其影响相对较弱。通常，落锤冲击测试用于该速度范围内的模拟。

落锤冲击模拟旨在重现重物从不同高度落下并冲击AF块或其层间结构的过程，其核心模拟目标是准确预测载荷-位移响应曲线、峰值载荷、平台应力、压实应变和总能量吸收。

分离式霍普金森压杆（SHPB）实验是量化材料在高应变率下动态力学行为的核心实验技术，其价值在于能够在材料中诱导应变率变形状态，为校准用于AF中高速冲击模拟的速率相关本构模型提供了不可或缺的实验基准。

中高速冲击

在中高速冲击条件下，惯性效应变得突出，应变率强化效应成为主导因素。特别是在高速端，冲击波效应开始显现并主导变形过程。能量吸收效率通常高于低速冲击。该速度范围的主要应用场景集中在装甲穿透防护和装甲设计上。一个典型的模拟实例是破片/子弹穿透AF及其复合结构。

对于子弹穿透模拟，核心目标是预测关键性能指标并评估结构抗多次冲击的能力。具体预测指标包括弹丸的剩余速度或被捕获情况、穿透深度、背板的变形或失效模式、AF本身的失效模式以及整体结构的能量吸收效率。

建模时，模型的选择取决于精度要求，以在精度和计算时间之间取得平衡。

超高速冲击

在超高速冲击速度范围内，AF的响应主要由强烈的冲击波效应决定。材料行为接近流体动力学状态，其固有强度效应相对减弱。能量耗散机制主要包括冲击压缩、材料破碎和熔化/蒸发过程。典型的应用场景主要是空间碎片防护和动能武器拦截。最具代表性的模拟实例是空间碎片或微流星体对AF防护屏的超高速冲击。

SPH方法在模拟AFSPs的超高速冲击的弹道极限和细胞分散方面得到了应用。该方法擅长处理严重的大变形、断裂、破碎和类流体行为。此外，LS-DYNA中的FE-SPH自适应方法也被用于模拟AFSPs的超高速冲击。

模拟的关键输出包括碎片云的形态、速度分布和空间密度、夹层板上的冲击压力分布、凹坑或穿孔的尺寸，以及弹丸的质量损失率和动量传递效率。

爆炸冲击

爆炸冲击模拟是评估AF在极端爆炸环境中防护性能不可或缺的复杂工具。作为一种特殊形式的冲击，爆炸冲击载荷极其复杂。具有极高压力的冲击波可以以每秒数公里的速度传播。高速破片的速度范围通常从1000-2000 m/s甚至更高。这种瞬态、高振幅、多物理场复合载荷对模拟提出了严峻挑战。

模拟的核心目标是定量评估AF层在爆炸冲击波关键参数方面的衰减效率。此外，还详细研究了AF的密度、厚度以及分层或梯度设计对其防护性能的影响。

为了应对这些挑战，研究人员采用了各种先进的模拟方法。数值模拟在爆炸载荷下表现出强大的复制实验中观察到的变形和失效模式的能力，同时与实验数据显示出密切的定量一致性。

应用

汽车工程

在汽车工程中，耐撞性设计对于确保乘客的生存至关重要，而AF复合材料在这一过程中发挥着核心作用。国际知名汽车制造商已将这些结构应用于车身的关键吸能部件。这些部件通常设计用于在低速（< 50 m/s）碰撞中减轻冲击能量。在这种情况下，泡沫材料的渐进式坍塌能够实现稳定的能量耗散。由AFSPs制成的防撞护栏已被用于提高高速公路的安全性。填充AF的碰撞盒显著增强了能量吸收能力。在涉及汽车的侧面碰撞事故中，门槛梁对于确保乘客空间至关重要。随着新能源车的广泛应用，电池的安全性至关重要，电池箱的抗冲击性尤为关键。

特种车辆与建筑

在特种车辆运输和建筑防护领域，AF复合结构继续展现出关键价值。它们主要通过其优异的吸收和耗散冲击能量的能力来实现这一点，从而显著提高安全防护水平。

对于对乘员安全性要求极高的特种车辆，AF复合结构已被广泛采用于车辆前部和车身的关键碰撞吸能区域。高速列车前部的碰撞区采用了AF复合材料，能够在低于19.5 m/s的速度下有效吸收冲击能量，同时保持驾驶室的结构完整性。

AF的冲击管理能力延伸到建筑防护领域。应用于桥墩的AF复合结构可以显著延长车辆冲击的碰撞持续时间，有效降低峰值车辆加速度。AF的优势不仅限于高强度防护，它还应用于台阶等建筑构件。

军事装备与航空航天技术

在军事装备领域，AFSPs因其出色的防护性能，已被应用于装甲车辆，有效增强了防护等级。AF的轻质和高比特性也使其成为重型装备空投的良好选择。

高性能、轻质和多功能的AF复合结构在航空航天领域也展现出巨大潜力，并已成功应用于各种航天器的承力结构、防护结构和着陆系统。空间碎片撞击和着陆场景既涉及超高速（> 1000 m/s）也涉及中等下降速度，这分别需要适应 vastly different loading rates 的多功能设计。

AFSPs的防护价值还延伸到地面设施的防护，当其应用于军事掩体和民用建筑时，能够评估其阻挡破片和减轻爆炸冲击波的能力。