兼具开孔和闭孔泡沫材料特征的空心微球结构泡沫金属,由球内密闭孔隙以及烧结球体之间的间隙构成。该类材料具有低密度、低热导率的特点,在隔音、绝热、催化以及电磁屏蔽方面有广泛应用。高原子序数低密度泡沫金材料在惯性约束聚变(ICF)物理实验中具有重要作用:作为壁腔材料,能够有效提高激光-X光转换效率和抑制等离子体膨胀,可以获得较高的黑腔辐射温度。在制冷工程制冷功率一定的情况下,泡沫金的低温热导率将直接决定柱腔内壁的温度差是否满足靶物理设计要求。从实验上测量泡沫金低温下的有效热导,需要克服接触热阻,焊接表面缺陷等问题。而空心微球堆垛结构泡沫金由于力学强度很低,目前在其表面进行无损微操作的测试实验技术也没有解决。因此有必要借助数学模型或者有限元仿真进行低密度泡沫金有效热导率研究。为解决堆垛结构的建模问题、有限元分析问题以及模拟结果的修正问题,本论文开展了以下几个方面的研究工作:(1)通过单元结构模型等效导热系数法,推导空心微球泡沫结构在二维平面下的有效热导率解析结果。得到有效热导率与球内导热,球外导热以及固相导热的关系式。分析解析结果发现,在保持各热导率不变以及不考虑随机堆垛的情况下,空心微球结构的有效热导率只与小球直径、球壳厚度和交错角有关。(2)利用Abaqus的Python脚本接口进行二次开发,建立了空心微球结构泡沫金的随机堆垛模型。与空心微球泡沫金SEM对比,发现微结构的排布相似,但球壁上存在纳米孔结构,进一步利用单元小球球壳开小孔的方法解决了球壁开孔的随机堆垛结构的建模问题。开发人机交互界面,集成所有参数输入、模型建立、边界条件与接触条件的施加为一体。极大提高建模以及计算的效率,增强了该计算过程的普适性。(3)通过有限元计算分析,得到了空心微球泡沫金有效热导率的影响条件包括小球内径、球壳厚度、孔隙率、开孔孔径以及流相热导率。发现有效热导率随小球内径增加而减小,随球壳厚度增加而增加。孔隙率增加,有效热导率降低。当孔隙率大于98%后,有效热导率会急剧下降,相比于98%以前,热导率下降速度增加了 4倍。流相的热导率对该泡沫金的有效热导率影响很大,流相为空气时,热导率增加16%,流相为水时,热导率增加131.2%。在真空中,球壳上小孔对有效热导率的影响很小,在不同开孔孔径下,计算得到的平均相对误差为0.021。(4)通过对大量计算结果分析发现对于同一几何参数下的模型,其计算也会存在偏差。分析认为:由于随机模型规模的限制,使得小球随机得到的位置对计算结果产生影响。利用机器学习中各种回归模型对有限元计算结果进行回归拟合,减小由于每次建模小球分布差异造成的计算结果不一致,得到了比较稳定的计算结果。