第一作者：賈恬恬、成肖鵬

通訊作者：李濤研究員

通訊單位：濱州鋁產(chǎn)業(yè)先進制造山東省實驗室

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.114921

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泡沫鋁及其復合結(jié)構(gòu)作為輕質(zhì)吸能材料，在汽車、航空航天與軍事防護等抗沖擊領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊前景。由于物理實驗成本高、過程復雜，數(shù)值模擬已成為預測其動態(tài)力學響應(yīng)與失效行為的關(guān)鍵手段。本文系統(tǒng)梳理了該領(lǐng)域數(shù)值模擬的核心進展，涵蓋材料模型、數(shù)值方法與典型工程應(yīng)用。首先，聚焦于幾何與材料屬性建模，詳細介紹了四種典型的泡沫鋁芯結(jié)構(gòu)模型，并討論了相應(yīng)復合結(jié)構(gòu)的建模策略。其次，歸納了當前主流的沖擊模擬方法與流程，包括有限元法、光滑粒子流體動力學以及若干新興數(shù)值方法。根據(jù)不同沖擊速度條件，進一步對加載過程進行分類，系統(tǒng)闡述了各類工況下的模擬特點及本構(gòu)模型的選取原則。隨后，文章總結(jié)了泡沫鋁在若干關(guān)鍵工程領(lǐng)域中的實際應(yīng)用案例。最后，針對當前建模與模擬過程中存在的難點與不足，指出了該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)，并對未來發(fā)展方向進行了展望。

【背景介紹】

泡沫鋁憑借其低密度、高比強度和優(yōu)異的吸能特性，已成為航空航天、車輛抗沖擊和軍事防護等領(lǐng)域的關(guān)鍵輕質(zhì)材料。為彌補其機械性能有限與耐腐蝕性不足的缺點，常將其與致密面板復合形成增強結(jié)構(gòu)達到拓展工程應(yīng)用范圍的目的。然而，當前泡沫鋁及其復合結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能研究面臨著微觀結(jié)構(gòu)隨機性導致實驗數(shù)據(jù)離散，以及極端載荷下瞬態(tài)損傷演化難以捕捉兩大瓶頸。數(shù)值模擬技術(shù)因此成為重要研究手段，通過構(gòu)建精確幾何和材料模型，可有效預測其在沖擊載荷下的動態(tài)響應(yīng)與失效行為，實現(xiàn)多尺度、多物理場耦合分析，顯著提升研究的可靠性與效率。但是目前較多研究只關(guān)注其特定性能的模擬需求，很少有研究對沖擊載荷下泡沫鋁及其復合結(jié)構(gòu)從幾何模型到工程應(yīng)用的數(shù)值模擬進行全面整合和分析。因此，本文系統(tǒng)梳理其建模方法、數(shù)值技術(shù)和典型工況模擬，總結(jié)工程應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望未來發(fā)展方向，為該類材料的性能優(yōu)化與工程設(shè)計提供理論支持。

【圖文解析】

對泡沫狀材料及其復合結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)和能量吸收行為進行準確的模擬，關(guān)鍵取決于對幾何特征和材料本構(gòu)行為的精確描述。泡沫狀材料獨特的機械性能很大程度上取決于其復雜的介觀孔隙結(jié)構(gòu)。因此，選擇合適的幾何模型對于有效反映其宏觀力學響應(yīng)至關(guān)重要。泡沫鋁及其復合結(jié)構(gòu)的多尺度建模策略變得越來越多樣化和精細，涵蓋了從理論簡化模型（Gibson-Ashby模型）到周期模型（Kelvin模型）、隨機模型（Voronoi模型）以及基于真實微觀結(jié)構(gòu)的 CT 掃描重建模型等（圖1）。此外，用于泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)、泡沫鋁填充管以及混合結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模技術(shù)也日益成熟。（圖2）

圖1.泡沫鋁幾何模型建模方法。a）Gibson-Ashby模型。b）Kelvin模型。c）Voronoi模型。d）基于微計算機斷層掃描的模型。

圖2.泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)建模。a）三明治結(jié)構(gòu)。b）填充管結(jié)構(gòu)。c）波紋芯混合結(jié)構(gòu)。d）空間堆疊混合結(jié)構(gòu)。

在當今的數(shù)值模擬領(lǐng)域，有限元法與光滑粒子流體動力學法已成為兩大主流技術(shù)。有限元法尤其擅長處理低速落錘沖擊和高速彈丸沖擊等場景下的接觸與大變形問題；而SPH方法則在模擬超高速撞擊、爆炸沖擊等極端工況中展現(xiàn)出獨特價值，能夠有效捕捉材料的大幅變形、破碎行為以及流體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用。文章對這兩種方法的模擬流程作了具體介紹（圖3）。此外，為進一步提升對泡沫鋁及其復合結(jié)構(gòu)在極端載荷下力學行為的模擬精度與效率，例如大變形、斷裂、破碎及多相耦合等現(xiàn)象，文中還系統(tǒng)梳理了多種新興數(shù)值方法，包括離散元法、質(zhì)點法、近場動力學和等幾何分析，并展望了它們在泡沫鋁及其復合結(jié)構(gòu)沖擊仿真中的應(yīng)用前景，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了新的思路與工具。

圖3.有限元法與光滑粒子流體動力學法模擬泡沫鋁及其復合結(jié)構(gòu)沖擊效應(yīng)的典型流程圖。

在泡沫鋁及其復合結(jié)構(gòu)的沖擊性能仿真研究中，數(shù)值模擬技術(shù)成功再現(xiàn)了材料從低速到中速、高速、超高速以及爆炸沖擊等多種動態(tài)載荷下的復雜響應(yīng)（圖4）。通過采用宏觀均質(zhì)模型、多尺度建模以及有限元法（FEM）、光滑粒子流體動力學（SPH）等先進方法，研究準確預測了泡沫鋁及其復合結(jié)構(gòu)在沖擊過程中的變形模式、失效機制與能量吸收特性，例如彈體侵徹深度、背板變形形態(tài)、沖擊波衰減效率及碎片云分布等關(guān)鍵指標。這些仿真結(jié)果不僅在定量上與實驗數(shù)據(jù)高度吻合，直觀呈現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)過程，也為泡沫鋁在車輛碰撞防護、裝甲設(shè)計、空間碎片防護及爆炸緩沖等多類工程場景中的性能評估與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了關(guān)鍵理論依據(jù)，顯著減少了對高成本重復試驗的依賴。

圖4.泡沫鋁及其復合結(jié)構(gòu)在不同沖擊速度下的模擬案例。

【總結(jié)與展望】

本綜述系統(tǒng)性地闡述了鋁泡沫及其復合材料的數(shù)值模擬研究，涵蓋了從材料建模、多尺度仿真方法到工程應(yīng)用與未來挑戰(zhàn)的全鏈條內(nèi)容。泡沫鋁復合材料在沖擊工程領(lǐng)域的仿真研究正邁向智能化與多功能化的新階段。未來，研究將聚焦于融合機器學習與優(yōu)化算法，以構(gòu)建高效的參數(shù)化替代模型，并整合CT掃描、分子動力學等多尺度建模技術(shù)，實現(xiàn)對材料從微觀結(jié)構(gòu)到宏觀性能的精準預測。同時，針對功能梯度泡沫鋁、智能材料復合結(jié)構(gòu)等新型多功能體系，建立“材料-結(jié)構(gòu)-功能”一體化仿真設(shè)計方法，將成為提升其抗沖擊性與能量吸收效率的關(guān)鍵。這些先進的仿真技術(shù)將極大地推動泡沫鋁在深空探測、航空器緩沖、艦船防護及輕型裝甲等極端與安全關(guān)鍵場景中的創(chuàng)新應(yīng)用（圖5）。

圖5.從智能建模、跨尺度模擬、多功能材料和未來應(yīng)用四個方面闡述了沖擊載荷下泡沫鋁及其復合結(jié)構(gòu)在數(shù)值模擬領(lǐng)域的未來發(fā)展前景。

【文章合作單位】

山東宏鈞新材料技術(shù)有限公司，致力打造具有強大生命力和競爭力的高性能泡沫鋁結(jié)構(gòu)件研發(fā)和制造基地。通過“高性能鋁基泡沫材料項目”建設(shè)，預計投產(chǎn)后達到年產(chǎn)3萬m3高性能泡沫鋁構(gòu)件及年產(chǎn)40萬件異形件產(chǎn)能。該項目采用自主研發(fā)達到世界先進的第二代泡沫鋁制備技術(shù)（變壓發(fā)泡法）實現(xiàn)泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)的主動控制及泡沫鋁三明治結(jié)構(gòu)的冶金級結(jié)合，使性能及穩(wěn)定性顯著提升。該技術(shù)達到了國內(nèi)領(lǐng)先，國際先進水平，其材料產(chǎn)品壓縮強度高、能量吸收能力強、性能可靠性高，可廣泛應(yīng)用于公路交通、新能源汽車、建筑裝飾材料、核工業(yè)、燃油車身輕量化和特殊車輛防撞模塊等領(lǐng)域。

【原文信息】

Tiantian Jia, Xiaopeng Cheng, Yang Lu, Tao Li, Numerical simulation of aluminum foam and its composite structures under impact loads: From geometric models to engineering applications. Mater. Des. 2025, 259: 114921.

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。

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