第一作者：贾恬恬、成肖鹏

通讯作者：李涛研究员

通讯单位：滨州铝产业先进制造山东省实验室

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.114921

【全文速览】

泡沫铝及其复合结构作为轻质吸能材料，在汽车、航空航天与军事防护等抗冲击领域展现出广阔前景。由于物理实验成本高、过程复杂，数值模拟已成为预测其动态力学响应与失效行为的关键手段。本文系统梳理了该领域数值模拟的核心进展，涵盖材料模型、数值方法与典型工程应用。首先，聚焦于几何与材料属性建模，详细介绍了四种典型的泡沫铝芯结构模型，并讨论了相应复合结构的建模策略。其次，归纳了当前主流的冲击模拟方法与流程，包括有限元法、光滑粒子流体动力学以及若干新兴数值方法。根据不同冲击速度条件，进一步对加载过程进行分类，系统阐述了各类工况下的模拟特点及本构模型的选取原则。随后，文章总结了泡沫铝在若干关键工程领域中的实际应用案例。最后，针对当前建模与模拟过程中存在的难点与不足，指出了该领域面临的挑战，并对未来发展方向进行了展望。

【背景介绍】

泡沫铝凭借其低密度、高比强度和优异的吸能特性，已成为航空航天、车辆抗冲击和军事防护等领域的关键轻质材料。为弥补其机械性能有限与耐腐蚀性不足的缺点，常将其与致密面板复合形成增强结构达到拓展工程应用范围的目的。然而，当前泡沫铝及其复合结构的抗冲击性能研究面临着微观结构随机性导致实验数据离散，以及极端载荷下瞬态损伤演化难以捕捉两大瓶颈。数值模拟技术因此成为重要研究手段，通过构建精确几何和材料模型，可有效预测其在冲击载荷下的动态响应与失效行为，实现多尺度、多物理场耦合分析，显著提升研究的可靠性与效率。但是目前较多研究只关注其特定性能的模拟需求，很少有研究对冲击载荷下泡沫铝及其复合结构从几何模型到工程应用的数值模拟进行全面整合和分析。因此，本文系统梳理其建模方法、数值技术和典型工况模拟，总结工程应用现状，并展望未来发展方向，为该类材料的性能优化与工程设计提供理论支持。

【图文解析】

对泡沫状材料及其复合结构的动态响应和能量吸收行为进行准确的模拟，关键取决于对几何特征和材料本构行为的精确描述。泡沫状材料独特的机械性能很大程度上取决于其复杂的介观孔隙结构。因此，选择合适的几何模型对于有效反映其宏观力学响应至关重要。泡沫铝及其复合结构的多尺度建模策略变得越来越多样化和精细，涵盖了从理论简化模型（Gibson-Ashby模型）到周期模型（Kelvin模型）、随机模型（Voronoi模型）以及基于真实微观结构的 CT 扫描重建模型等（图1）。此外，用于泡沫铝夹芯结构、泡沫铝填充管以及混合结构的参数化建模技术也日益成熟。（图2）

图1. 泡沫铝几何模型建模方法。 a）Gibson-Ashby模型。b）Kelvin模型。c）Voronoi模型。d）基于微计算机断层扫描的模型。

图2. 泡沫铝复合结构建模。a）三明治结构。b）填充管结构。c）波纹芯混合结构。d）空间堆叠混合结构。

在当今的数值模拟领域，有限元法与光滑粒子流体动力学法已成为两大主流技术。有限元法尤其擅长处理低速落锤冲击和高速弹丸冲击等场景下的接触与大变形问题；而SPH方法则在模拟超高速撞击、爆炸冲击等极端工况中展现出独特价值，能够有效捕捉材料的大幅变形、破碎行为以及流体与结构之间的相互作用。文章对这两种方法的模拟流程作了具体介绍（图3）。此外，为进一步提升对泡沫铝及其复合结构在极端载荷下力学行为的模拟精度与效率，例如大变形、断裂、破碎及多相耦合等现象，文中还系统梳理了多种新兴数值方法，包括离散元法、质点法、近场动力学和等几何分析，并展望了它们在泡沫铝及其复合结构冲击仿真中的应用前景，为相关领域的研究提供了新的思路与工具。

图3.有限元法与光滑粒子流体动力学法模拟泡沫铝及其复合结构冲击效应的典型流程图。

在泡沫铝及其复合结构的冲击性能仿真研究中，数值模拟技术成功再现了材料从低速到中速、高速、超高速以及爆炸冲击等多种动态载荷下的复杂响应（图4）。通过采用宏观均质模型、多尺度建模以及有限元法（FEM）、光滑粒子流体动力学（SPH）等先进方法，研究准确预测了泡沫铝及其复合结构在冲击过程中的变形模式、失效机制与能量吸收特性，例如弹体侵彻深度、背板变形形态、冲击波衰减效率及碎片云分布等关键指标。这些仿真结果不仅在定量上与实验数据高度吻合，直观呈现了结构的动态响应过程，也为泡沫铝在车辆碰撞防护、装甲设计、空间碎片防护及爆炸缓冲等多类工程场景中的性能评估与结构优化提供了关键理论依据，显著减少了对高成本重复试验的依赖。

图4. 泡沫铝及其复合结构在不同冲击速度下的模拟案例。

【总结与展望】

本综述系统性地阐述了铝泡沫及其复合材料的数值模拟研究，涵盖了从材料建模、多尺度仿真方法到工程应用与未来挑战的全链条内容。泡沫铝复合材料在冲击工程领域的仿真研究正迈向智能化与多功能化的新阶段。未来，研究将聚焦于融合机器学习与优化算法，以构建高效的参数化替代模型，并整合CT扫描、分子动力学等多尺度建模技术，实现对材料从微观结构到宏观性能的精准预测。同时，针对功能梯度泡沫铝、智能材料复合结构等新型多功能体系，建立“材料-结构-功能”一体化仿真设计方法，将成为提升其抗冲击性与能量吸收效率的关键。这些先进的仿真技术将极大地推动泡沫铝在深空探测、航空器缓冲、舰船防护及轻型装甲等极端与安全关键场景中的创新应用（图5）。

图5. 从智能建模、跨尺度模拟、多功能材料和未来应用四个方面阐述了冲击载荷下泡沫铝及其复合结构在数值模拟领域的未来发展前景。

【文章合作单位】

山东宏钧新材料技术有限公司，致力打造具有强大生命力和竞争力的高性能泡沫铝结构件研发和制造基地。通过“高性能铝基泡沫材料项目”建设，预计投产后达到年产3万m³高性能泡沫铝构件及年产40万件异形件产能。该项目采用自主研发达到世界先进的第二代泡沫铝制备技术（变压发泡法）实现泡沫铝孔结构的主动控制及泡沫铝三明治结构的冶金级结合，使性能及稳定性显著提升。该技术达到了国内领先，国际先进水平，其材料产品压缩强度高、能量吸收能力强、性能可靠性高，可广泛应用于公路交通、新能源汽车、建筑装饰材料、核工业、燃油车身轻量化和特殊车辆防撞模块等领域。

【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.