1.1目的：

海洋油气管道经常会受到拖网渔具等重物的撞击，沉重的拖网渔具会对管道造成冲击。这种作用会使管道产生凹痕和横向弯曲，极端情况下甚至会造成油气资源泄露，造成不可估量的财产损失和严重的环境污染，而这种损坏的修理，代价是十分昂贵的。泡沫金属是典型的多孔材料，具有密度小、比吸能高等优点，但自身抗拉、压、扭、弯等载荷的能力较差。将泡沫金属和金属薄壁组合成夹芯结构可以较好地结合两者的优点。研究泡沫金属夹芯结合的抗冲击性能，可以为其在海洋油气管道的安全防护方面提供有价值的参考。

1.2意义：

目前，海洋油气资源勘探和开发逐渐迈向深水和超深水区，这对海底油气管道的安全性和稳定性提出了更多且更高的要求。传统的单层钢质圆管在复杂的海洋环境下受到外部静水压力、生物腐蚀、低温甚至锚链撞击等诸多外在因素作用，已经很难满足承载力和运输要求。在这种背景下，夹芯管以其优异的结构强度和相对较好的保温性能，成为一种非常有竞争力的深海油气输送管道的替代方案，并广泛关注。泡沫金属夹芯管用作海底油气运输管道，具有较好的隔热性能，一方面可以抵抗海水腐蚀，另一方面可以提高其抵抗动态冲击的性能，保证海底石油管道的运输安全，减少因动态冲击作用下结构破损而引起的石油泄漏，造成环境污染和能源浪费。

泡沫金属作为一种新型的多孔材料，国内外学者对其力学性能进行了大量研究。Olurin等^[1]对带有缺口和无缺口的闭孔泡沫铝进行了准静态压缩和拉伸实验，实验结果表明泡沫铝的压缩和拉伸强度对缺口并不敏感。Lu^[2]发现泡沫材料的典型应力-应变曲线一般都有三个阶段：线弹性响应、以平台应力为特征的屈服，以及应力随着应变快速增长的压实阶段。陈静友和李成兵^[3]针对泡沫铝进行了准静态压缩实验和应变范围为700-2600/s的动态压缩实验，随着应变率提高，泡沫铝的延展性下降，并出现屈服滞后和断裂滞后现象。敬霖等^[4]概述了多孔金属材料在准静态和动态冲击载荷作用下的实验研究和理论分析方法。由于多孔金属材料微观结构复杂并伴有初始缺陷，材料的本构关系与力学性能还没有统一的认识。

泡沫金属是质量轻、吸能性能好的多孔材料，但是和钢材相比强度较弱，因此限制了其的单独应用。将泡沫金属材料和薄壁金属结合在一起形成夹芯结构，既避免了泡沫金属因为强度较弱受载而直接失效破坏，又能发挥其比吸能高的优势，保护夹芯结构尤其是内层金属的完整性。武汉理工大学交通学院朱凌教授团队^[5,6]对泡沫铝夹芯板(AFSP)在常温（20°C）和低温（－60°C）环境下的抗冲击性能进行了研究。结果表明，随着冲击能量的增加，正面穿透的冲击数和背面穿透的残余数均呈指数形式下降。AFPS在低温下的变形量比室温低，这是由于泡沫铝屈服应力的增加所致。这对进一步研究泡沫金属夹芯管在深水低温环境的抗冲击性能研究有一定的指导作用。

此外，朱凌教授团队^[7]还对完全固支管道受横向冲击下的变形模式进行了实验研究。通过冲击试验，提出了一种描述变形轮廓的方法，并对试验中所观察到的现象给出了清晰的解释，综合建立了管道在横向冲击作用下的动力行为机理。对夹芯管的抗冲击性能研究具有重要的参考价值。

Liu等^[8]对泡沫铝夹芯管的抗爆炸能力进行了有限元分析。结果表明，泡沫铝夹芯管的径向变形和抗爆炸冲击能力都明显优于非夹芯管。Jing等^[9]对泡沫铝夹芯管的抗爆炸冲击能力以及在爆炸冲击下的变形和失效模式进行了实验和数值分析。研究表明，泡沫铝夹芯管在爆炸冲击下的挠度响应和能量吸收能力对载荷密度和结构几何尺寸十分敏感，且夹芯板的能量吸收能力与冲击能量成正相关，与芯层的密度成负相关，并不随着管壁的厚度的变化而单调变化。随后，Jing等^[10]对泡沫铝夹芯管在冲击载荷下的能量吸收能力和失效机理进行了实验和数值分析。结果表明，泡沫铝夹芯管的抗冲击性能随着结构几何尺寸的优化而明显增强，内壁的厚度较之外壁的作用更为重要。另外，冲击速度的增加、外壁厚度和芯层相对厚度以及曲率半径的减小，都能使结构的能量吸收能力增加，而且夹芯管的初始曲率可能会引起结构的失效破坏。Jing等^[11,12]通过实验研究了泡沫铝夹芯管在爆炸荷载和弹丸冲击下的动力响应。结果表明，对于所有的试样，永久挠度随冲击线性增加，并可以通过增加面板厚度或泡沫铝芯层密度来提高抗冲击性能，但以重量增加为代价。由于主要变形机制的差异，曲率半径较小的夹芯壳体比等质量的曲率半径大的整体壳体的抗爆性较差。根据夹芯壳体的整体变形可以分为弯曲区、弯曲耦合拉伸区和拉伸区，其中弯曲夹芯结构在抗变形、抗压扁夹芯板等方面具有明显的优势。龚顺风等^[13]运用有限元软件ABAQUS对外压作用深海夹芯管复合结构屈曲失稳进行了分析。研究发现，外管初始几何缺陷对夹芯管屈曲失稳压力影响较小。外管径厚比越大，夹芯管屈曲失稳压力越小，屈曲失稳前的变形能力越强；内管径厚比越大，夹芯管屈曲失稳压力也越小，但屈曲失稳前的变形能力却越弱；夹芯层厚度、夹芯层及内外管材料特性对夹芯管屈曲失稳性能影响较为显著。D. Karagiozova等^[14]对泡沫铝夹芯管在内部爆炸冲击载荷下的响应开展了实验研究和数值分析，提出在具有较厚内壁和低密度芯层的结构中，应寻求等效质量夹芯半约束圆柱的最佳特性。Liang等^[15]通过实验和数值分析，研究了泡沫铝芯夹芯管在内部爆炸载荷作用下的冲击响应，提出管变形过程一般可用三个阶段进行描述：内面板加速、核心压实和外面板变形。

不少学者对泡沫铝填充管道的力学性能也进行了系列研究。谢中友等^[16]对泡沫铝合金填充圆管进行了三点弯实验研究。实验表明泡沫铝合金填充管结构的承载能力随泡沫铝合金密度的增大而增大, 但破坏应变则随之减小。结构承载力的相对提高量随着管壁厚度的减小和跨径的增大而增大，而且泡沫铝合金填充使管壁压入量和管截面抗弯刚度的损失显著减小，从而提高了结构的抗弯能力。随后，谢中友等^[17]还对泡沫铝填充薄壁圆管的三点弯实验进行了数值模拟。结果表明，泡沫铝芯层主要起支撑管壁、减小截面变形的作用。另外, 压头直径对结构承载能力有一定的影响, 部分填充可以在结构重量没有显著增加时大大提高结构承载能力。赵广宁等^[18]利用MSC Dytran仿真探讨了泡沫铝填充薄壁构件的最大吸能比（Specific Energy Absorption）随构件薄壁厚度和截面直径变化的规律，并以最大SEA为优化函数, 对泡沫铝填充薄壁圆管的直径和壁厚进行了优化。康建功等^[19]对泡沫铝横向压缩吸能特性进行了探究。结果表明填充泡沫铝对提高钢管结构的吸能性能及屈服平台应力有显著的效果，填充后钢管结构的屈服应力随着管径的增加相应减小，泡沫铝填充后对钢管能量吸收性能的提高随着管径的增加相应地降低。