夾層結(jié)構(gòu)與非夾層結(jié)構(gòu)相比，具有很多優(yōu)點，例如良好的比剛度性能。 但是，在高動力載荷下，例如在鐵路機車、高速船舶、航空和風力發(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）投資有限公司上海分公司的胡培和Dirk Roosen在試驗的基礎(chǔ)上，對夾層結(jié)構(gòu)不同泡沫芯材的疲勞性能進行了比較。

      瑞典斯德哥爾摩皇家理工大學對X-PVC、PEI和PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)梁做了四點疲勞試驗，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。對于經(jīng)過5×106循環(huán)以后對未發(fā)生破壞的試件，通過靜力方法（ASTM C393-62）測量其剩余剪切強度。

簡介

       試驗對PMI、X-PVC和PEI三種類型的結(jié)構(gòu)泡沫的疲勞性能進行了研究、比較。因為產(chǎn)品來自不同廠家，在夾層結(jié)構(gòu)梁測試中選擇的芯材密度有所不同，但是所有的試驗都在同一個四點彎曲試驗機（圖1）上完成，夾層結(jié)構(gòu)的試驗設(shè)計破壞形式都是芯材發(fā)生剪切破壞。首先進行靜力試驗，測試夾層結(jié)構(gòu)梁的靜剪切強度，然后進行疲勞加載試驗，疲勞實驗的加載次數(shù)在1x103-5x106之間，按照試驗設(shè)定，試件發(fā)生疲勞斷裂。在試驗得出的S/N曲線中，疲勞破壞載荷的大小是以其與剪切強度的比值的形式給出。如果經(jīng)過5x106 循環(huán)加載試件未發(fā)生破壞，采用和原先測試靜力性能相同的方法測試試件的剩余剪切強度。

圖 1. 四點彎曲試驗機

試驗方法

       所有試驗均采用四點彎曲試驗機，在ASTM C393-62 [1] 標準的基礎(chǔ)上進行。通過四點彎曲試驗[2]測試夾層結(jié)構(gòu)芯材剪切疲勞性能的方法，已被證實可行[3-4]。四點彎曲試驗本身的優(yōu)點是構(gòu)件不會出現(xiàn)大的應(yīng)力集中，夾層結(jié)構(gòu)（面層材料－膠－芯材）在加載過程中相對獨立，與實際使用過程中結(jié)構(gòu)的受力情況相似。彎矩和剪力如圖2所示，在內(nèi)外支點之間，剪力是一個常數(shù)，彎矩的變化是從內(nèi)支點處的最大值減小到外支點處的零。在四點彎曲試驗中，中間截面處的彎矩是一個常量（也是最大值），同時剪力為零；在內(nèi)外支點之間剪力是常量。

圖2. 四點彎曲的圖示和剪力和彎矩圖

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

   其中P 等于四點彎曲試驗機所加載荷的1/2。t_c和t_f分別是芯材和面板的厚度。

          同時，最大的彎矩M_max以及根據(jù)近似公式（該關(guān)系適用于面板對稱的夾層結(jié)構(gòu)）計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中試件支點之間的距離。為了讓四點彎曲試件發(fā)生芯材剪切破壞，支點的間距必須經(jīng)過計算，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)強度是 ，面板的極限拉伸強度是 , 后者可以是壓縮、拉伸或者局部屈曲強度強度。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)，然后鋪放樹脂導(dǎo)流介質(zhì)材料，并用真空袋密封，抽真空，通過注射口注射樹脂，兩側(cè)纖維同時浸潤，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性能。

表 1：試件的類型和尺寸


表 2：面板材料性能

剪切試驗 

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

疲勞試驗 

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

       疲勞試驗在一臺40 kN的Schenk通用液壓侍服試驗機上進行。所有疲勞試驗都使用了一種特殊的控制回路——間接加載控制系統(tǒng)。加載通過位移控制加載，記錄下加載反應(yīng)，在經(jīng)過一定次數(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)。

        通過疲勞試驗得出標準的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5×10⁶次循環(huán)加載試驗后，沒有發(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。

剩余剪切強度

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

結(jié)論

       進行的一系列試驗表明，PMI泡沫能夠承受相當于58% 的靜力破壞載荷的疲勞載荷，X-PVC 能承受相當于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。（參見表4。）

表3：按照ASTM C393-62測出的材料在靜載下的破壞載荷和剪切強度


表4：5×10⁶ 次加載疲勞試驗結(jié)果


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


表6：動力載荷施加前后的力學性能


表 7：芯材的性能

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

經(jīng)過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57%。這兩種泡沫芯材都失去了原有的延性，這需要進一步的研究來解釋。

雖然經(jīng)過了疲勞試驗，但是PMI泡沫芯材的剪切破壞變形終保持同一個數(shù)量級。

多年來的實踐證明夾層結(jié)構(gòu)PMI泡沫芯材材料最適合于高動力載荷的應(yīng)用領(lǐng)域，例如鐵路機車、高速船舶、航天航空和風機葉片等。一系列試驗的結(jié)果也證明了這一點。