夾層結(jié)構(gòu)與非夾層結(jié)構(gòu)相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如良好的比剛度性能。 但是，在高動(dòng)力載荷下，例如在鐵路機(jī)車(chē)、高速船舶、航空和風(fēng)力發(fā)電葉片等構(gòu)件中，還要求夾層結(jié)構(gòu)具有良好的疲勞性能。贏創(chuàng)德固賽（中國(guó)）投資有限公司上海分公司的胡培和Dirk Roosen在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)夾層結(jié)構(gòu)不同泡沫芯材的疲勞性能進(jìn)行了比較。

      瑞典斯德哥爾摩皇家理工大學(xué)對(duì)X-PVC、PEI和PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)梁做了四點(diǎn)疲勞試驗(yàn)，分別得出三種不同結(jié)構(gòu)芯材發(fā)生剪切疲勞破壞的載荷、變形、剪切強(qiáng)度和S/N曲線。設(shè)定合適的加載幅度，在1×103-5×106次循環(huán)加載條件下，如果夾層結(jié)構(gòu)梁發(fā)生疲勞破壞，就可以得到相應(yīng)的疲勞破壞載荷。對(duì)于經(jīng)過(guò)5×106循環(huán)以后對(duì)未發(fā)生破壞的試件，通過(guò)靜力方法（ASTM C393-62）測(cè)量其剩余剪切強(qiáng)度。

簡(jiǎn)介

       試驗(yàn)對(duì)PMI、X-PVC和PEI三種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)泡沫的疲勞性能進(jìn)行了研究、比較。因?yàn)楫a(chǎn)品來(lái)自不同廠家，在夾層結(jié)構(gòu)梁測(cè)試中選擇的芯材密度有所不同，但是所有的試驗(yàn)都在同一個(gè)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)（圖1）上完成，夾層結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)破壞形式都是芯材發(fā)生剪切破壞。首先進(jìn)行靜力試驗(yàn)，測(cè)試夾層結(jié)構(gòu)梁的靜剪切強(qiáng)度，然后進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn)，疲勞實(shí)驗(yàn)的加載次數(shù)在1x103-5x106之間，按照試驗(yàn)設(shè)定，試件發(fā)生疲勞斷裂。在試驗(yàn)得出的S/N曲線中，疲勞破壞載荷的大小是以其與剪切強(qiáng)度的比值的形式給出。如果經(jīng)過(guò)5x106 循環(huán)加載試件未發(fā)生破壞，采用和原先測(cè)試靜力性能相同的方法測(cè)試試件的剩余剪切強(qiáng)度。

圖 1. 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)

試驗(yàn)方法

       所有試驗(yàn)均采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)，在ASTM C393-62 [1] 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。通過(guò)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)[2]測(cè)試夾層結(jié)構(gòu)芯材剪切疲勞性能的方法，已被證實(shí)可行[3-4]。四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)本身的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)件不會(huì)出現(xiàn)大的應(yīng)力集中，夾層結(jié)構(gòu)（面層材料－膠－芯材）在加載過(guò)程中相對(duì)獨(dú)立，與實(shí)際使用過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力情況相似。彎矩和剪力如圖2所示，在內(nèi)外支點(diǎn)之間，剪力是一個(gè)常數(shù)，彎矩的變化是從內(nèi)支點(diǎn)處的最大值減小到外支點(diǎn)處的零。在四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，中間截面處的彎矩是一個(gè)常量（也是最大值），同時(shí)剪力為零；在內(nèi)外支點(diǎn)之間剪力是常量。

圖2. 四點(diǎn)彎曲的圖示和剪力和彎矩圖

        在測(cè)試過(guò)程中，內(nèi)外支點(diǎn)之間的芯材的受力幾乎為純剪應(yīng)力狀態(tài)，這正是試驗(yàn)所需要的。根據(jù)Zenkert^[5]提出的方法，結(jié)合示意圖上的標(biāo)注，計(jì)算得出最大剪力T_max和最大剪應(yīng)力分別是：

   其中P 等于四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)所加載荷的1/2。t_c和t_f分別是芯材和面板的厚度。

          同時(shí)，最大的彎矩M_max以及根據(jù)近似公式（該關(guān)系適用于面板對(duì)稱(chēng)的夾層結(jié)構(gòu)）計(jì)算得出的最大面板拉伸/壓縮應(yīng)力σ_max分別是：

其中，L1和L2是圖2中試件支點(diǎn)之間的距離。為了讓四點(diǎn)彎曲試件發(fā)生芯材剪切破壞，支點(diǎn)的間距必須經(jīng)過(guò)計(jì)算，使得芯材的剪切破壞成為結(jié)構(gòu)的臨界破壞形式。假定芯材的極限剪應(yīng)強(qiáng)度是 ，面板的極限拉伸強(qiáng)度是 , 后者可以是壓縮、拉伸或者局部屈曲強(qiáng)度強(qiáng)度。根據(jù)面材和芯材的彈性模量（Ef 和 Ec ）以及芯材的剪切模量之間的關(guān)系得出：

試件

       夾層結(jié)構(gòu)試件的鋪層結(jié)構(gòu)形式與通常的船艇結(jié)構(gòu)相同，制造工藝也是采用樹(shù)脂注射工藝，一步完成。將干纖維多軸向織物直接鋪設(shè)在夾層結(jié)構(gòu)芯材的上下兩側(cè)，然后鋪放樹(shù)脂導(dǎo)流介質(zhì)材料，并用真空袋密封，抽真空，通過(guò)注射口注射樹(shù)脂，兩側(cè)纖維同時(shí)浸潤(rùn)，室溫制造、固化。使用圓形金剛砂鋸將構(gòu)件切割成需要的尺寸。試件的結(jié)合尺寸和所用材料在表1和2中列出。在表7中列出了這幾種芯材的力學(xué)性能。

表 1：試件的類(lèi)型和尺寸


表 2：面板材料性能

剪切試驗(yàn) 

       首先利用靜力加載剪切試驗(yàn)得到疲勞試驗(yàn)的加載范圍。在22℃的室溫環(huán)境下，按照ASTM C393-62，使用Schenk PSA40 液壓試驗(yàn)機(jī)，每組測(cè)試3個(gè)相同的試件，加載速度為 6 mm/min 。

疲勞試驗(yàn) 

        試驗(yàn)研究的目的是在載荷振幅為常量時(shí)，比較這幾種泡沫材料的疲勞性能。試驗(yàn)加載比率R=0.1，每組至少六個(gè)試件。

       疲勞試驗(yàn)在一臺(tái)40 kN的Schenk通用液壓侍服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。所有疲勞試驗(yàn)都使用了一種特殊的控制回路——間接加載控制系統(tǒng)。加載通過(guò)位移控制加載，記錄下加載反應(yīng)，在經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的循環(huán)以后，將載荷變化的平均值返回給位移控制系統(tǒng)。

        通過(guò)疲勞試驗(yàn)得出標(biāo)準(zhǔn)的S/N曲線，如圖3所示。Y軸是PMI 51 S 疲勞破壞載荷和靜力載荷的比值，X軸為加載循環(huán)次數(shù)（n）的對(duì)數(shù)。加載循環(huán)次數(shù)的最大值為5×10⁶，部分試件在經(jīng)過(guò)5×10⁶次循環(huán)加載試驗(yàn)后，沒(méi)有發(fā)生破壞。圖7為PMI 51 S 在 P/Pcrit=65%，n=1×10⁶ 次循環(huán)加載條件下，發(fā)生剪切疲勞破壞的照片。圖4 –6為X-PVC 和 PEI的S/N值。表4 是5×10⁶  次加載循環(huán)條件下的疲勞破壞剪切強(qiáng)度值。

圖3.  PMI 51 S梁的S/N值（曲線擬合）


圖4. X-PVC 80梁的S/N值


圖5. X-PVC 60梁的S/N值


圖6. PEI 80梁的S/N值


圖 7. PMI 51 S在P/Pcrit=65%、循環(huán)次數(shù)n=1×106 條件下的疲勞破壞。

剩余剪切強(qiáng)度

       在經(jīng)過(guò)5×106次加載循環(huán)，如果試樣未發(fā)生破壞，疲勞試驗(yàn)中止，轉(zhuǎn)而進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)方法和原先的靜力試驗(yàn)相同。試驗(yàn)結(jié)果在表5中列出。

結(jié)論

       進(jìn)行的一系列試驗(yàn)表明，PMI泡沫能夠承受相當(dāng)于58% 的靜力破壞載荷的疲勞載荷，X-PVC 能承受相當(dāng)于33%的靜力破壞載荷的疲勞載荷，PEI 泡沫只有25%。PMI 泡沫芯材的抗疲勞性能最好。（參見(jiàn)表4。）

表3：按照ASTM C393-62測(cè)出的材料在靜載下的破壞載荷和剪切強(qiáng)度


表4：5×10⁶ 次加載疲勞試驗(yàn)結(jié)果


表5：經(jīng)過(guò)5×10⁶ 次疲勞加載循環(huán)后未發(fā)生破壞時(shí)，夾層結(jié)構(gòu)梁的剩余剪切試驗(yàn)結(jié)果


表6：動(dòng)力載荷施加前后的力學(xué)性能


表 7：芯材的性能

疲勞試驗(yàn)的剪切破壞載荷和剪切破壞強(qiáng)度與靜力情況相比，差異很小。這表明PMI泡沫材料在高動(dòng)態(tài)載荷下的夾層結(jié)構(gòu)中具有良好的可靠性。

經(jīng)過(guò)5×10⁶次循環(huán)，試樣未發(fā)生破壞的情況下，在隨后的靜力加載破壞試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)PVC和PEI泡沫的靜力加載剪切破壞變形降低最多達(dá)57%。這兩種泡沫芯材都失去了原有的延性，這需要進(jìn)一步的研究來(lái)解釋。

雖然經(jīng)過(guò)了疲勞試驗(yàn)，但是PMI泡沫芯材的剪切破壞變形終保持同一個(gè)數(shù)量級(jí)。

多年來(lái)的實(shí)踐證明夾層結(jié)構(gòu)PMI泡沫芯材材料最適合于高動(dòng)力載荷的應(yīng)用領(lǐng)域，例如鐵路機(jī)車(chē)、高速船舶、航天航空和風(fēng)機(jī)葉片等。一系列試驗(yàn)的結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。