多孔金属夹层镶板样品截面分析金相显微镜
轻质高效结构
为了开发“三明治”夹层结构镶板梁，必须进行优化设计方法研究。
优化的目标函数是寻找一定弯曲刚度和强度下的最小重量，以便得到轻质
高刚度或高强度的梁结构。下面将用四个标题表述其优化方法，并将优化
后的“三明治”夹层结构板或梁与具有加强筋结构的板或梁进行比较。其
中主要比较内容是：(1)与高刚度加强筋镶板或环形薄壳进行比较；(2)与
蜂窝状芯体“三明治”夹层结构的刚度、强度进行比较。数十年的研究工
作已经可以允许这些优化结构在实际中使用，以现有这些结构性能所能达
到的结果为目标，是很难超越的。多孔金属系统结构的优势就是来自可接
受的性能和低成本或高的耐用性。例如，蜂窝状金属芯体与高分子面板复
合的“三明治”夹层镶板已经达到了轻质效果，同时其力学性能也胜于以
结构性能为基础的多孔金属芯体的力学性能。但是，这种蜂窝状的芯体存
在耐久性低的问题，同时水分也容易侵入并发生层裂；另一方面，它们的
价格相对较高，特别是当要求设计成弓形镶板或薄壳时，价格便成为主要
问题。
与传统结构相比，多孔金属芯体“三明治”夹层结构也许是最轻质的
优化结构而且这种结构最有可能达到性能上的优势，如果在相对低的载荷
作用下(实际上这类结构材料多在低载荷下使用。这是因为，作为芯体材料
主要是经受压缩塑性变形)，载荷主要由“三明治”夹层结构的面板承受，
在芯体上承受的载荷相对较小。
结构指数
承受弯曲或压缩载荷的镶板、薄壳以及管的轻量化设计主要基于载荷
大小、自重和刚度。其中刚度由结构指数确定。自重大小依据使用条件下
允许承受的应力、刚度以及位移大小进行最小化。也就是说，最大限度地
发挥结构材料的性能优势是优化的终极目标。因此，结构指数表达式中包
括了载荷、尺寸、材料弹性特征参数以及芯体密度。所以，结构指数的具
体表达式依赖于结构形式、载荷大小以及可能出现的破坏模式。我们用两
个无量纲化的参数口、沙分别表征载
