随着水利水电工程规模的不断扩大,与之配套的水工钢闸门的尺寸也越来越大。受启闭机容量等约束条件的限制,水工钢闸门的自重不能过大。因此现代水工钢闸门设计时多采用轻量化设计方案,以减轻闸门自重,提高闸门启闭的灵活程度。然而,轻量化也会带来一些负面影响,比如支臂容易失稳以及容易发生流激共振等。泡沫铝填充钢管是解决这一问题的很好途径,泡沫铝材料本身承载能力不强,但是有很长的应力平台,可以在外荷载作用下持续变形。将泡沫铝材料填充到薄壁钢管中可以实现两种材料的优势互补,提高薄壁钢管的稳定能力,充分发挥二者的力学性能。因此,将泡沫铝材料填充到水工弧形钢闸门的支臂中是解决闸门轻量化问题的一个可能途径。本文主要做了以下几方面的工作:(1)采用随机模拟的方法建立了泡沫铝材料的细观有限元模型,采用此模型进行了准静态压缩过程的数值模拟,探究了泡沫铝材料压溃变形的机理。同时对数值模拟的结果进行了处理,得到了泡沫铝材料的应力-应变曲线,并以应力-应变曲线为基础得到了不同密度的泡沫铝材料的本构关系;(2)从细长型压杆临界荷载的欧拉公式出发得到了长宽比和宽厚比为影响薄壁方钢管稳定性能的两个变量。分别建立了细长型、中长型薄壁方钢管的有限元模型,同时建立了相应的泡沫铝填充钢管的有限元模型,对模型进行了静力分析和特征值屈曲分析,探究了泡沫铝填充对薄壁方钢管稳定性能的影响以及长宽比、宽厚比、泡沫铝填充密度的影响;(3)建立了水工弧形钢闸门的有限元模型,将泡沫铝材料填充到该闸门的箱形支臂中,对模型分别进行了静力分析和特征值屈曲分析,通过对比分析数值模拟的结果探究了泡沫铝填充对水工弧形钢闸门强度、刚度以及稳定性的影响,验证了支臂填充泡沫铝这一方案的可行性。本文研究表明:第一,从细观角度来讲,泡沫铝材料的压溃破坏首先发生在孔隙与孔隙间距过小的位置,局部孔隙的压溃会产生连锁反应,在材料内部形成一条压溃带,压溃带向外不断扩展最终导致整体材料发生破坏;第二,采用随机模拟的方法可以方便快捷地建立泡沫铝材料的细观有限元模型,便于调整孔隙率、孔隙分布等参数,对真实情况的模拟效果好,且便于进行优化设计。第三,将泡沫铝填充到薄壁钢管中后,泡沫铝可以有效抑制管壁的侧向变形,防止管壁发生局部屈曲,提高薄壁钢管的弹性稳定性能。第四,将泡沫铝填充到水工弧形钢闸门的支臂中可以提高约15%的静力强度,并明显减小闸门的变形。同时,泡沫铝填充可以将钢闸门的局部屈曲位置由稳定性较差的支臂转移到稳定性较好的主纵梁上,提高钢闸门的整体稳定性能。