夹层结构泡沫芯材疲劳性能比较

 

       夹层结构与非夹层结构相比，具有很多优点，例如良好的比刚度性能。 但是，在高动力载荷下，例如在铁路机车、高速船舶、航空和风力发电叶片等构件中，还要求夹层结构具有良好的疲劳性能。赢创德固赛（中国）投资有限公司上海分公司的胡培和Dirk Roosen在试验的基础上，对夹层结构不同泡沫芯材的疲劳性能进行了比较。

      瑞典斯德哥尔摩皇家理工大学对X-PVC、PEI和PMI泡沫夹层结构梁做了四点疲劳试验，分别得出三种不同结构芯材发生剪切疲劳破坏的载荷、变形、剪切强度和S/N曲线。设定合适的加载幅度，在1×103-5×106次循环加载条件下，如果夹层结构梁发生疲劳破坏，就可以得到相应的疲劳破坏载荷。对于经过5×106循环以后对未发生破坏的试件，通过静力方法（ASTM C393-62）测量其剩余剪切强度。

简介

       试验对PMI、X-PVC和PEI三种类型的结构泡沫的疲劳性能进行了研究、比较。因为产品来自不同厂家，在夹层结构梁测试中选择的芯材密度有所不同，但是所有的试验都在同一个四点弯曲试验机（图1）上完成，夹层结构的试验设计破坏形式都是芯材发生剪切破坏。首先进行静力试验，测试夹层结构梁的静剪切强度，然后进行疲劳加载试验，疲劳实验的加载次数在1x103-5x106之间，按照试验设定，试件发生疲劳断裂。在试验得出的S/N曲线中，疲劳破坏载荷的大小是以其与剪切强度的比值的形式给出。如果经过5x106 循环加载试件未发生破坏，采用和原先测试静力性能相同的方法测试试件的剩余剪切强度。

图 1. 四点弯曲试验机

试验方法

       所有试验均采用四点弯曲试验机，在ASTM C393-62 [1] 标准的基础上进行。通过四点弯曲试验[2]测试夹层结构芯材剪切疲劳性能的方法，已被证实可行[3-4]。四点弯曲试验本身的优点是构件不会出现大的应力集中，夹层结构（面层材料－胶－芯材）在加载过程中相对独立，与实际使用过程中结构的受力情况相似。弯矩和剪力如图2所示，在内外支点之间，剪力是一个常数，弯矩的变化是从内支点处的最大值减小到外支点处的零。在四点弯曲试验中，中间截面处的弯矩是一个常量（也是最大值），同时剪力为零；在内外支点之间剪力是常量。

图2. 四点弯曲的图示和剪力和弯矩图

        在测试过程中，内外支点之间的芯材的受力几乎为纯剪应力状态，这正是试验所需要的。根据Zenkert^[5]提出的方法，结合示意图上的标注，计算得出最大剪力T_max和最大剪应力分别是：

   其中P 等于四点弯曲试验机所加载荷的1/2。t_c和t_f分别是芯材和面板的厚度。

          同时，最大的弯矩M_max以及根据近似公式（该关系适用于面板对称的夹层结构）计算得出的最大面板拉伸/压缩应力σ_max分别是：

其中，L1和L2是图2中试件支点之间的距离。为了让四点弯曲试件发生芯材剪切破坏，支点的间距必须经过计算，使得芯材的剪切破坏成为结构的临界破坏形式。假定芯材的极限剪应强度是 ，面板的极限拉伸强度是 , 后者可以是压缩、拉伸或者局部屈曲强度强度。根据面材和芯材的弹性模量（Ef 和 Ec ）以及芯材的剪切模量之间的关系得出：

试件

       夹层结构试件的铺层结构形式与通常的船艇结构相同，制造工艺也是采用树脂注射工艺，一步完成。将干纤维多轴向织物直接铺设在夹层结构芯材的上下两侧，然后铺放树脂导流介质材料，并用真空袋密封，抽真空，通过注射口注射树脂，两侧纤维同时浸润，室温制造、固化。使用圆形金刚砂锯将构件切割成需要的尺寸。试件的结合尺寸和所用材料在表1和2中列出。在表7中列出了这几种芯材的力学性能。

表 1：试件的类型和尺寸


表 2：面板材料性能

剪切试验 

       首先利用静力加载剪切试验得到疲劳试验的加载范围。在22℃的室温环境下，按照ASTM C393-62，使用Schenk PSA40 液压试验机，每组测试3个相同的试件，加载速度为 6 mm/min 。

疲劳试验 

        试验研究的目的是在载荷振幅为常量时，比较这几种泡沫材料的疲劳性能。试验加载比率R=0.1，每组至少六个试件。

       疲劳试验在一台40 kN的Schenk通用液压侍服试验机上进行。所有疲劳试验都使用了一种特殊的控制回路——间接加载控制系统。加载通过位移控制加载，记录下加载反应，在经过一定次数的循环以后，将载荷变化的平均值返回给位移控制系统。

        通过疲劳试验得出标准的S/N曲线，如图3所示。Y轴是PMI 51 S 疲劳破坏载荷和静力载荷的比值，X轴为加载循环次数（n）的对数。加载循环次数的最大值为5×10⁶，部分试件在经过5×10⁶次循环加载试验后，没有发生破坏。图7为PMI 51 S 在 P/Pcrit=65%，n=1×10⁶ 次循环加载条件下，发生剪切疲劳破坏的照片。图4 –6为X-PVC 和 PEI的S/N值。表4 是5×10⁶  次加载循环条件下的疲劳破坏剪切强度值。

图3.  PMI 51 S梁的S/N值（曲线拟合）


图4. X-PVC 80梁的S/N值


图5. X-PVC 60梁的S/N值


图6. PEI 80梁的S/N值


图 7. PMI 51 S在P/Pcrit=65%、循环次数n=1×106 条件下的疲劳破坏。

剩余剪切强度

       在经过5×106次加载循环，如果试样未发生破坏，疲劳试验中止，转而进行静力加载试验，试验过程和试验方法和原先的静力试验相同。试验结果在表5中列出。

结论

       进行的一系列试验表明，PMI泡沫能够承受相当于58% 的静力破坏载荷的疲劳载荷，X-PVC 能承受相当于33%的静力破坏载荷的疲劳载荷，PEI 泡沫只有25%。PMI 泡沫芯材的抗疲劳性能最好。（参见表4。）

表3：按照ASTM C393-62测出的材料在静载下的破坏载荷和剪切强度


表4：5×10⁶ 次加载疲劳试验结果


表5：经过5×10⁶ 次疲劳加载循环后未发生破坏时，夹层结构梁的剩余剪切试验结果


表6：动力载荷施加前后的力学性能


表 7：芯材的性能

疲劳试验的剪切破坏载荷和剪切破坏强度与静力情况相比，差异很小。这表明PMI泡沫材料在高动态载荷下的夹层结构中具有良好的可靠性。

经过5×10⁶次循环，试样未发生破坏的情况下，在随后的静力加载破坏试验中，发现PVC和PEI泡沫的静力加载剪切破坏变形降低最多达57%。这两种泡沫芯材都失去了原有的延性，这需要进一步的研究来解释。

虽然经过了疲劳试验，但是PMI泡沫芯材的剪切破坏变形终保持同一个数量级。

多年来的实践证明夹层结构PMI泡沫芯材材料最适合于高动力载荷的应用领域，例如铁路机车、高速船舶、航天航空和风机叶片等。一系列试验的结果也证明了这一点。