泡沫铝填充薄壁金属管作为一种典型的缓冲吸能结构,具有良好的力学性能和吸能特性,被广泛应用于汽车、轨道交通、航空航天等工程领域的碰撞能量耗散系统中,实现对设备或人员的安全防护。鉴于此,泡沫铝填充结构轴向准静态压缩以及动态冲击作用下的力学性能一直是学术界和工程应用领域关注的热点。近年来,随着环境污染和资源消耗问题日趋严峻,在满足既定功能前提下,对装备结构轻量化要求越来越迫切,开发具有轻量化、可柔性定制的泡沫铝填充薄壁结构成为该领域的重要方向之一。在分析总结泡沫铝填充铝管(Al-Foam filled aluminum tube,简称AFAT)和泡沫铝填充钢管(Al-Foam filled steel tube,简称AFST)轴向吸能特性及适应性特征基础上,结合近年来快速发展的层状复合管制备技术,提出一种以泡沫铝为填充材料、钢/铝复合管为外侧覆层的新型缓冲吸能结构,即泡沫铝填充钢/铝复合管(Al-Foam filled clad tube,简称AFCT)。该结构兼具有泡沫铝填充铝管的效用性、缓冲性、结构轻量化优势,以及泡沫铝填充钢管最大压缩位移小和能承受更高的冲击能量等方面的优势,可通过改变钢/铝复合管的层厚比、泡沫铝的孔隙率等结构参数实现静态压缩与抗冲击性能的柔性定制。为弄清AFCT的轴向吸能特性,本文将数值模拟技术与实验相结合开展研究工作,旨在为工程应用提供理论指导。首先,采用多孔泡沫材料Crushable-foam本构模型和管壁壳单元模型,在ABAQUS平台上建立了AFCT准静态压缩和高速冲击过程有限元模型,通过变参数模拟,分析了泡沫铝孔隙率、高径比、层厚比、复合形式(冶金结合与物理接触)和钢/铝复合管层厚比等材料和结构参数对AFCT吸能特性及变形模态的影响规律。并在WDW-3100材料试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)、Instron CAEST-9350落锤冲击试验机上,分别开展了AFCT准静态压缩和动态冲击性能测试,验证了有限元模拟结果的可靠性。分析结果表明,AFCT结构的比吸能特性明显好于同等结构的AFAT,具有很好的轻质效应;当孔隙率低于90%、径厚比大于13、复合结构为全部粘结时具有最好的变形协调和吸能特性。变形机理分析表明,AFCT各组元金属变形存在协调约束作用,钢/铝复合结构的轴向屈曲模态互相牵制,以及泡沫铝填充形成的内部支撑,是改变AFCT最终模态和轴向能量吸收能力的主要机制。为进一步揭示AFCT在准静态压缩与高速冲击过程中,泡沫铝泡孔坍塌变形机理和泡沫铝与复合管间的耦合作用机制,本文基于Voronoi图开发了泡沫材料几何拓扑结构建模方法,分别构建了二维和三维AFCT几何模型,结合ABAQUS显示动力学算法,模拟分析了泡沫铝泡孔直径、泡孔壁厚等泡沫铝结构参数对冲击载荷作用下AFCT变形和吸能特性的影响。在建模方法和仿真信息提取方面,与基于多孔泡沫材料本构模型的实体单元建模方法形成了互补。在现代汽车工业进程中,轻量化是现代汽车工业技术的发展方向,安全性能的提升是汽车研发设计过程中的重中之重。实践表明,在碰撞过程中,汽车吸能盒、保险杠在缓和冲击过程中起到了主要作用,吸收了大量的外部冲击能量,有效减少了撞击力。AFCT新型缓冲吸能结构为汽车吸能盒的设计提供了一种新的思路。为适应吸能盒的实际应用要求,对比分析了圆形、方形、六边形、八边形截面AFCT的吸能特性,确定了方形截面AFCT作为吸能盒的设计结构形式。并以国内某款轿车车载防撞梁结构为参考,利用ANSYS LS-dyna软件,分别对AFCT吸能盒的汽车防撞梁简化模型和整车应用模型进行正面碰撞和40%侧面碰撞性能测试分析。低速/高速碰撞速度参考国际标准分别选择为18 km/h和54 km/h。碰撞结果表明AFCT吸能盒在低速撞击时与现有车载吸能盒吸能效果相近,在高速碰撞时具有更高的吸能特性,达到了最初的设计目标。综上所述,本文提出的AFCT结构在结构轻量化、静载和抗冲击吸能特性参柔性设计上具有很大的优势,在汽车吸能盒、防撞梁等具有特殊吸能要求的结构上具有很好的应用前景。