泡沫金属具有比强度高、比刚度高、孔隙率大、可变形量大和吸能效果好等特性,可作为能量吸收、抗冲击和减振的防护结构应用于汽车、航空航天、军事防护等领域。为了提高泡沫材料的力学性能,一些学者提出了将泡沫密度梯度化以实现多目标优化设计的思路。然而,目前关于梯度泡沫金属在冲击载荷下的力学响应研究还不充分,对泡沫材料缓冲吸能等特性的研究也不够深入。本文采用有限元数值模拟的方法,研究了不同梯度泡沫结构在动态冲击载荷作用下的力学性能和能量吸收能力。主要的研究内容如下:(1)基于一维非线性刚性-塑性硬化(Rigid,plastic-hardening,R-PH)模型,研究了在恒速冲击作用下层状负梯度泡沫的冲击波控制方程和传播特性。采用LS-DYNA有限元软件对三维随机Voronoi技术生成的梯度泡沫金属模型进行数值模拟,验证了理论预测,并定义了冲击波模型下梯度泡沫中的局部密实化应变与第二临界速度。通过对冲击速度、密度梯度、相对密度等参数的影响研究发现,冲击波模型的理论解与有限元模型的数值解吻合较好,基于R-PH模型的冲击波理论能较好地预测层状负梯度泡沫金属的力学性能;局部密实化应变在不同冲击速度下存在3个增长阶段;密度梯度绝对值和相对密度越大,局部密实化应变越小,第二临界速度越大,能量吸收能力越好。(2)参照层状密度梯度泡沫模型实现方法,利用3D-Voronoi技术设计了新型径向密度梯度泡沫模型,使用有限元软件对梯度泡沫在不同冲击载荷下的力学性能进行数值模拟。通过研究冲击速度、密度梯度和平均相对密度对金属泡沫冲击端应力、支撑端应力和能量吸收能力的影响,发现:径向正梯度泡沫与层状正、负梯度泡沫相比,其两端的应力值均较小,可同时保护冲击端、支撑端物体;径向负梯度泡沫两端应力变化幅度较小,能够保证物体受力稳定;几种泡沫金属的能量吸收能力在不同冲击速度下发生交替变化。对于径向梯度泡沫,能量吸收能力对密度梯度大小不敏感,对梯度方向敏感;径向负梯度泡沫的能量吸收能力始终大于径向正梯度泡沫;平均相对密度越大,径向正、负梯度泡沫两端应力越大、吸能效果越好。(3)通过对泡沫材料进行钻孔处理,获得了钻孔均匀泡沫模型,同时借助径向梯度泡沫模型设计思路,得到了不同径向密度梯度下的钻孔泡沫模型。利用有限元软件对钻孔泡沫金属进行动态压缩模拟,得到了不同加载方向上钻孔泡沫材料的变形特点及应力-应变曲线,分析了密度梯度对钻孔泡沫力学性能与能量吸收能力的影响。结果表明,径向压缩泡沫时,钻孔的存在改变了泡沫的变形特点及力学性能,钻孔泡沫两端的应力值减小,冲击端的应力-应变曲线存在下凹趋势,能量吸收能力减弱。轴向压缩泡沫时,钻孔泡沫与均匀泡沫的变形特点及力学性能相近。径向压缩泡沫时,梯度的存在改变了钻孔泡沫的变形特点,钻孔径向正梯度泡沫拥有较小的应力值和能量吸收值;钻孔径向负梯度两端的应力值较大,能量吸收能力较强。