多孔材料多目標結構優化設計

【摘 要】多孔金屬材料因其性能優良具有廣泛的應用前景，近年來己成為研究的熱點。本文首先介紹多孔金屬材料多功能特性與力學性能，然后進行多孔金屬材料的宏觀建模多功能優化設計研究。

【關鍵詞】多孔材料；多功能；優化設計

0.引言

隨著工業裝備和航空航天的迅猛發展，對高性能材料的設計提出了更高的要求，如：輕量化、高剛度、高散熱、抗沖擊性和多功能化應用等。多孔金屬材料因其優良的性能和廣泛的應用前景，近年來成為研究的焦點。

多孔金屬材料性能與孔結構直接相關，孔隙率與多功能性能相關。改變孔隙率和孔的結構將影響材料的綜合性能。因此，可根據不同需求對其結構多學科優化設計。本文將結合多孔材料的性能表征，對輕質多孔材料進行多功能化優化設計。

1.多孔材料多功能特性

多孔金屬材料具有獨特的多功能特性，包括：

（1）多孔材料的密度遠遠小于實體材料的密度。不同多孔材料孔結構不同，一般孔隙率都較高。

（2）抗沖擊性 多孔金屬在承受壓應力時產生塑性變形，大量的沖擊量被轉變為塑性能，以熱量形式耗散。

（3）高剛性 蜂窩多孔材料有很好的力學性能，同時其性能有較強方向性。

（4）高散熱性多 孔金屬是優良的傳熱介質，可以作為飛行器和超高速列車的散熱裝置。此外，在高孔隙中流過冷卻劑，可達到冷卻和承載的目的，在航天結構領域有廣泛應用。

（5）吸聲效果 與傳統材料相比， 多孔泡沫結構吸聲效果良好。

綜上所述， 多孔材料具有高剛度、高強度、輕量化和高散熱性等明顯優勢。多孔金屬既是優良的結構材料，也是性能優異的功能材料，在交通、海洋采油、航空航天、醫療等領域中有著重要意義。多孔材料不僅性能優良，也降低能源消耗和減少環境污染。

2.多孔材料的性能表征

2.1 多孔金屬材料靜力學性能

在恒定載荷下，對輕質多孔金屬材料的靜力學性能研究。當這些構件比較復雜時，一般采用數值方法來研究其破壞變形；當宏觀結構較為單一簡單時，本構理論也較簡單，且計算效率高，往往是數值方法中的主要方法。

本章使用ANSYS有限元程序進行有限元分析，由于結構較為復雜，模型使用三維四面體單元。材料楊氏模量為70GPa，屈服應力為150MPa，泊松比為0.3。

建立多孔金屬材料有限元模型，有限元分析表明，該材料彈性模量和壓縮強度均明顯提高，材料彈性模量隨孔徑比的增加而增大，壓縮屈服應力隨孔徑比的增加先增大后減小。對壓縮變形機理進行討論，變形主要為斜桿的彎曲變形，同時，小桿的彎曲變形機制使表現出不同的塑性流動特性。

研究表明，隨著孔徑比的增大，材料表現出不同的流動行為。材料塑性變形主要集中在斜桿上，孔洞的四個頂點處幾乎沒有變形，因此，斜桿的彎曲是泡沫金屬壓縮時的主要變形機制。提高孔徑比，彎曲剛度顯著提高，且塑性應變集中在壓縮方向的小桿上。當小桿截面積逐漸增大時，結構應力也逐漸提高，直至斜桿發生屈服。

2.2 多孔金屬材料動力學性能

在實際應用中，多孔金屬可承受動態荷載而產生大范圍變形，本文通過選擇基體材料、孔隙結構來控制動態變形特征，可使多孔金屬成為理想的吸能材料。多孔金屬在高變形下的動態性能和破壞機理研究對于其的廣泛應用具有重要意義。此外，載荷作用下力學行為的研究也是結構材料的重要前提之一，尤其對抗沖擊材料在軍事和防恐領域中的應用具有重要意義。

多孔材料在沖擊下的變形模型一般采用動量守恒和能量守恒得出動態激勵下的變形。多孔金屬材料的吸能機理研究已成為當前多孔材料研究的熱門方向。金屬多孔材料抗沖擊分析是建立在靜態模型基礎上的，未考慮應變效應的影響，很難準確得出整個材料的動態性能。如何進行沖擊荷載下的強度和破壞研究，建立相關的本構關系及破壞判據，需要進一步深入研究。

2.3 多孔金屬材料熱力學性能

孔隙傳熱是多孔金屬多功能特性中最受廣泛關注的領域。材料的高熱傳導系數和對流換熱使得多孔金屬具有優良的換熱性能。

傳熱性能研究一般集中于常溫導熱和單相對流傳熱。根據多孔金屬結構的流體動力特性，確定了不同雷諾數作用下的動量方程，得出了慣性力表達式；根據空氣冷卻對流換熱特性，測定了對流傳熱隨微結構參數的變化規律，建立單相對流傳熱模型；測定真空狀態下導熱系數隨溫度的變化規律，進而確定了高溫下的熱傳遞規律。隨著相對密度的提高，多孔結構的導熱系數會隨之增大，且導熱系數與相對密度基本成線性關系。

3.多目標結構優化設計

傳統材料的設計通過調整單一材料設計參數使之能夠滿足工程實際需求。在大多數情況下，材料的設計無法達到最優化。由于上述局限，力學工作者雖然以材料為研究對象，但只發揮其輔助作用。隨著以多孔材料和復合材料的發展，材料的可設計性已有了較大提高，可根據工程需求利用優化技術設計出最優越的材料。

多目標優化問題的主要思路是目標加權求解。對多個目標中，評價各目標權重系數 ，將多目標歸一化。從而將多目標優化問題轉化為單目標優化問題。

在航空航天領域，許多結構件需要同時滿足強度、隔熱和輕質的要求。從第3節力學性能研究中我們知道，隨著密度的增大，材料屈服強度提高，多孔金屬板的隔熱性能降低，且孔徑比越大，多金屬板的隔熱性能越好。針對單一目標優化進行的參數選取與其他目標優化的參數選取是相互矛盾的，需要進行多目標優化設計，以選取同時滿足強度、隔熱和輕質要求的材料參數。

金屬板構件參數多目標優化設計中，首先采用最小二乘法對屈服應力和隔熱參數進行多項式擬合， 以此表達式作為構件的目標函數，通過建立包含強度、隔熱和輕質多目標函數的優化設計模型，采用權重法將多目標優化問題轉化為單目標優化問題進行求解。

4.結論與展望

通過建立了多目標優化設計數學模型，求解目標最優的金屬孔徑比、相對密度。結果表明多孔金屬板的綜合性能顯著優于傳統金屬板。

多孔金屬材料應用前景十分廣闊，但目前很多研究還只限于對宏觀性能參數的研究，對細觀結構研究還較少。

【參考文獻】

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[2]盧天健，劉濤，鄧子辰.多孔金屬材料多功能化設計的若干進展[J].力學與實踐，2008，30（1）：1-8.