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泡沫铝3240环氧板树脂复合夹芯梁动态三点弯曲试验研究

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    通过三点弯曲冲击试验测试了泡沫铝-3240环氧板复合夹芯梁的动态力学性能,研究了这种复合夹芯梁的破坏形态、荷载-时曲线和能量-时间曲线。分析了不同冲击速度和芯层厚度对冲击荷载和吸能量的影响,与传统蒙皮夹芯梁和纯泡沫铝梁进行了比较。结果表明,在试验设定的参数范围内,这种复合夹芯梁表现了较好的整体性。冲击速度和芯层厚度对其动态力学性能有明显的影响,随着冲击速度的増加,夹芯梁的冲击承载力逐渐增加,但冲击速度较大时复合夹芯梁会表现出一定脆性破坏,导致吸能能力降低。随着夹芯梁芯层厚度的増加,冲击承载力与吸能能力逐渐増加。与传统夹芯板和纯泡沬铝梁相比,其冲击承载力和吸能能力明显提高,说明这种泡沫铝-环氧树脂复合夹芯梁具有良好的动态力学性能,在其他条件相同的情况下,分别设计了C1、C2和C3三组试件,试验冲击速度分别为20m/5、3.0m/s和40m/s。提取了试件的荷载-时间曲线和能量-时间曲线,分别如图6和图7所示,提取了试件的最大冲击荷载和吸能量的对比图,如图8所示。为了更好地应用泡沫铝夹芯结构,国内外学者对泡沫铝材料以及泡沫铝夹芯板的力学性能进行了大量研究。余为等进行了两种孔隙形状泡沫铝/环氧树脂复合材料弹性常数的硏究,通过细观力学胞元法建立模型,然后进行理论分析和数值模拟,发现孔隙形状对复合材料的弹性模量具有较大影响,球形孔隙形状复合材料的力学性能较矩形孔隙形状的力学性能更为优异。王巍等提出一种以泡沬铝为墳充材料,钢铝复合管为外侧覆层的泡沫铝墳充钢铝复合管,模拟分析了钢钼复合管覆层结构对其压缩变形行为和能昰吸收性能的影响规律,发现泡3240环氧板兼具有洶沬铝瑱充铝管的效用性、缓冲性、结构轻昰化优勢,通过改变钢铝复合管的层厚比可实现压缩与吸能性能的柔性定制和性能强化。强斌等进行了三点弯曲荷载作用下粘结界面的泡沬芯板实验和模拟硏究,发现随着芯层的厚度增加泡沬钼夹芯板的承载力和吸能能力会相应地增加。 STEEVES等对泡沬锠夹梁在边界条件为简支状态下,进行了三点弯曲实验研究,探究了夹芯梁的力学性能,通过对实验结果的分析,绘制了夹芯梁的破坏模式图,揭示了梁的几何形式在破坏时占了主导地位。JANG等对泡沫铝夹芯梁在面板屈服、芯层剪切和压缩条件下的破坏模式进行了理论硏究,通过三点弯实验获得了在准静态条件下泡沬铝夹芯梁的临界荷载的表达式和失效模式图,实验结果与理论预测的初始破坏模式和极限荷载强度基本一致。∪等1测试了泡沬铝夹芯板的三点弯曲强度,发现夹芯板的抗弯强度随着钢面板和芯层泡沫铝的厚度增加而增加,芯层泡沫铝内泡壁表面的大尺寸裂纹是夹芯板在弯曲荷载作用下失效的主要原因。辛亚军等凵2通过静态四点弯曲试验研究了泡沫铝夹芯梁的破坏过程和破坏形态,发现芯层厚度和面层厚度对夹芯梁的弯曲承载力和果有明显影响。ZHU等13模拟了泡沬铝夹芯梁三点弯曲下的失效模式,模拟得到的临界荷载与理论计算结果相符合,说始损伤理论和线性损伤演化规律可以描述泡沫铝夹芯梁的剪切失效模式。WANG等4制作出一种新型的泡沬铝夹芯结构测试了其三点弯曲性能,发现这种新型的夹芯结构与传统的泡沫铝夹芯结构相比,综合性能有所提高,并且得到了这种新型夹芯结构在弯曲强庋最佳时的最优制备参数。 THEOTOKOGLOU等利用有限元软件模拟了泡沬铝夹芯板裂缝开裂时的破坏形式发现3240环氧板的裂缝的开裂是由底板开裂逐步发展到面板,这一现象是受到复杂荷载的作用而引起的,并通过数值模拟的结果得出了裂缝的开展是受到复杂的加载条件,确定了主要的裂缝开展模式。JNG等16对芯体为3种不同类型的泡沫铝的夹心结构进行了子弹冲击试验,分析了泡沫铝夹心结构在动态冲击下的变形与失效模式。孙亚东等1研究了孔隙率以及孔径对夹芯板的
弯曲性能的影响,发现孔隙率以及孔径越大,夹芯板抗弯能力越高。夏志成等18对不同厚度夹芯板进行不同落锤高度冲击试验,测得上、下板面变形值并记录了夹芯板的破坏情况,运用数值模拟软件还原夹芯板冲击过程导岀面板与芯材吸能占比。泡沫铝-环氧树脂复合夹芯板是一种新型的复合夹芯板,其面层为泡沫铝与环氧树脂互穿材料,其静态弯曲和局压硏究1920表明这种夹芯板具有很好的抗压性能和压缩吸能能力,且具有较高的抗穹承载能力和塑性吸能能力。图1为这种复合夹芯板的结构示意图,由于复合层对泡沫铝起到了约束加强作用,有效增强了其压缩刚度、强度、吸能能力和整体性。本文将进行其三点穹曲冲击试验研究,分析其破坏形态,得到其荷载-时间曲线和能量-时间曲线,研究这种复合夹芯结构的动态力学性能。
      当冲击速度为20m/s时,此时冲击速度较低,试件并未被冲断,上面层并未发生明显破坏,下面层出现裂纹,但是裂纹并未延伸至芯体,靠近上面层中心处的泡沫铝胞元发生轻微挤压变形,如图5(a所示当冲击速度为30m/s时,试件未被冲断,试件上表面产生明显变形,但未发生断裂,夹具固定位置出现裂纹,上表面与芯体未发生脱离。试件下表面出现贯穿裂缝,裂缝延伸至芯体,芯体中心处被撕裂,两侧泡沫铝胞元被挤压变形,如图5(b)所示。
      3240环氧板具有轻质、吸能效果好、比刚度和比强度高等优点1-3,同时也兼具有传统致密材料的性能连续和受力条件好等特点。近年来,作为超轻吸能结构,泡沬铝夹芯板被广泛地应用在航空、航天、工业制造等领域与。1)泡沫铝-环氧树脂复合夹芯梁在承受动态荷载时具有较好整体性能,其面层与芯体并未发生脱离2)随着冲击速度的增大,这种复合夹芯梁的冲击承载力增加,但是速度过大时会使得复合夹芯梁发生脆性破坏,从而影响其吸能能力。3)随着泡沫铝芯层厚度的增加,复合夹芯梁的冲击承载力与吸能能力也随之增加。

2020年5月20日
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