夾層結(jié)構(gòu)泡沫芯材疲勞性能比較

夾層結(jié)構(gòu)泡沫芯材疲勞性能比較作者：胡培的博客發(fā)表于：2010-03-2310:24:00點擊：25960復(fù)材在線原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載請注明出處摘要夾層結(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(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）投資有限公司上海分公司的胡培和DirkRoosen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(xué)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1X103-5X106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5X106循環(huán)以后對未發(fā)生破壞的試件，通過靜力方法（ASTMC393-62）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ASTMC393-62［1］標(biāo)準(zhǔn)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)（面層材料一膠一芯材）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。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)Zenkert⑸提出的方法，結(jié)合示意圖上的標(biāo)注，計算得出最大剪力Tmax和最大剪應(yīng)力'四分別是:其中P等于四點彎曲試驗機所加載荷的1/2。tc和tf分別是芯材和面板的厚度。同時，最大的彎矩Mmax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a.分別是：RAF.2kfd

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：U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(xué)性能。編號『面材4面層厚度+JCmmj4芯材4芯材厚度；沽Cmm）F芯材寬度"+J〔mm）4玻璃纖維乙烯基鋼指43齊PM1514眼5眼玻璃經(jīng)維乙避基麗§即3齊PXH711340^-5帥I1W被璃纖維乙烯基麗5即3*PXH11FX4餉53玻璃纖維乙烯基桐脂43齊PMI71海『心5WVhP玻璃坪維乙烯基麗康43.7^X-PVC知『40^5眼玻璃經(jīng)維乙避基徊康43齊X-PVC血40^5E巧W玻璃經(jīng)維乙烯基倒5即3齊PEI80^40^」表1：試件的類型和尺寸面板材料性能4DBL-8OQ'8O84^闞書。礴"K多軸向織物q髀性模蜜：El\<GPa）『20.1^雪場誨S（GP眼H眼厚度（mm）.3一為表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22r的室溫環(huán)境下，按照ASTMC393-62，使用SchenkPSA40液壓試驗機，每組測試3個相同的試件，加載速度為6mm/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40kN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一一間接加載控制系統(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(biāo)準(zhǔn)的S/N曲線，如圖3所示。Y軸是PMI51S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5X106，部分試件在經(jīng)過5X106次循環(huán)加載試驗后，沒有發(fā)生破壞。圖7為PMI51S在P/Pcrit=65%，n=1X106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5X106次加載循環(huán)條件下的疲勞破壞剪切強度值。圖3.PMI51S梁的S/N值（曲線擬合）VilogN圖4.X-PVC80梁的S/N值圖5.X-PVC60梁的S/N值圖6.PEI80梁的S/N值圖7.PMI51S在P/Pcrit=65%、循環(huán)次數(shù)n=1X106條件下的疲勞破壞剩余剪切強度在經(jīng)過5X106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(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。（參見表4。）

芯材P破壞載荷，2P(kN)斷裂變形Cmm)彼環(huán)萸切強度(MPa)史起519齊?；騊XU71IG6.64-ILL1.54^P\n11FXq.2.57^河?口直眼PXH71WF.6.39-12.8-2.0x-pvc齡4一5部沆31.42^X-PVC603.2S194-1.03.-PEI80^4.44^30一捉1一3"表3：按照ASTMC393-62測出的材料在靜載下的破壞載荷和剪切強度PXU5LS/PXU71IG、PXU了1FX4PXU71WX-PVC沙X-PVC的PEI職。一5部-0.52^。一5"Cl..5「。一3女0.25^加載頻率F(Hz)口4^'34表4：5X106次加載疲勞試驗結(jié)果芯材4經(jīng)歷最大疲勞加載:IP破壞載荷n2P(kN)Q斷裂變形Xfmmp破壞剩余剪切強度(MPa)『PMI51S41.81^2.87^9.1^0一伊PXH71IG3.335.95-10.61.38PXC71FX41一3眼2.67^30*Q62PPXfl7H\T3.19-S.g10.9-11.S6X-PVC8"1一"4.3Lpli加L354X-PVC60口一皿'3.3115.5-1.03PPEI8"1一2卯4一1812卯L34表5：經(jīng)過5X106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.芯材4破壞載荷，n=0+J(kN)襯破壞載荷.2P砂玖的(kN)占破壞臾切強度wn=0p(MPa)p破壞臾切強度□=5X1*(MPa)『斷裂變形丫n=0p(mm)4斷裂變形*?n=5XW-(mm)PM51叩J/3,Op2一如0.7^0.7P&一眼:PXU71IG6一帥,6一31夕1一和11一均'10.6<FM71FX+彼。一W0.6叫一家30.8-收了］WFQ時§一如'2加1一皿電部10.QX-PVC職14.6^.4.3-1.4^1.426.0^11.0：X-PVC血3京3.3-1加1.019一4「15.5PEI80^*4?1一“L3-30.0^12.9表6：動力載荷施加前后的力學(xué)性能

萍材點密度u壓縮強度w(MPa)q剪切強度w(XlPa)4拉伸強度u(MPa)4斷裂延伸率w(%)4斷裂延伸率標(biāo)準(zhǔn)4PMI51S52^。齊wISO527-2P?xn71IG[6}75s13wISO527-2FM71FX[6>75a0,部IKWISOpxn7網(wǎng)而051.3-g3:0ISO527-2X-PVC80[7]<S0^1W1*1,成并ISO193-aX-PVC60[7]ea0.85^0.8^IS，54ISO193-6PEI80[7]，海。所1.1^1*23ISO1922^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5X106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(fēng)機葉片等。一系列試驗的結(jié)果也證明了這一點。建議進行進一步的深入研究，以建立豐富的數(shù)據(jù)庫，使設(shè)計人員能夠針對自己特殊的應(yīng)用選擇最優(yōu)的泡沫材料。簡稱X-PVC：交聯(lián)PVCPMI：聚甲基丙烯酰亞胺PEI：聚醚酰亞胺S/N：應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)的比參考文獻：AnnualBookoftheASTMStandards,AmericanSocietyforTestingandMaterials,Philadelphia,PA.OlssonK.-A.andLonnoA.,“TestProcedureForFoamCoreMaterials',ProceedingofFirstInternationalConferenceonSandwichConstruction,Eds.K.-A.OlssonandR.P.Reichard,EMAS,Solihull,UK,pp.293-318,1989.

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