粘彈性材料夾芯鋼夾層板疲勞實驗研究

薛啟超，鄒廣平，胡 建

XUE Qi-chao, ZOU Guang-ping, HU Jian

（哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001）

0 引言

夾層板結(jié)構(gòu)以其優(yōu)異的彎曲和輕質(zhì)性能成為工程中得以廣泛應(yīng)用的新材料。聚氨酯彈性體鋼夾層板是兩塊鋼質(zhì)面板內(nèi)部夾有聚氨酯彈性體材料。聚氨酯彈性體其力學(xué)性能介于橡膠和塑料之間，是一種具有大的力學(xué)性能可調(diào)范圍的粘彈性材料， 鋼板夾層聚氨酯彈性體夾層材料鋼夾層板現(xiàn)已經(jīng)應(yīng)用于船舶甲板的修復(fù)和橋梁面板的建造和修復(fù)上[1,2]，其優(yōu)異的減震吸能效果受到人們的廣泛關(guān)注，絕緣性能、隔熱性能、抗疲勞性能也照比常用的梁板組合結(jié)構(gòu)要好，由于彈性體和鋼材的粘結(jié)力非常強，使得夾層板結(jié)構(gòu)的整體性更好，均化應(yīng)力的分布并抑制主體鋼結(jié)構(gòu)裂紋的擴展。

粘彈性體夾芯材料的疲勞行為體現(xiàn)出一定的特殊性，其加載、裂紋的生成和擴展、斷裂等都體現(xiàn)出粘彈性的特征。李玲等[3]對竹木復(fù)合材料層合板在疲勞/蠕變交互作用下的斷裂損傷進行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著蠕變作用時間的增加，撓度也隨之增加；S.C. Sharma[4]等開展了聚氨酯泡沫夾芯，纖維增強復(fù)合材料作為面板的夾層板的疲勞實驗；Gary K[5]等開展了鋼板-彈性體夾層梁的疲勞實驗，發(fā)現(xiàn)彈性體的力學(xué)性能與加載速率相關(guān)。

本文采用自制的聚氨酯彈性體夾層板結(jié)構(gòu)，自制的夾層板的面板材料為65Mn，屈服應(yīng)力為425Mpa。夾芯為硬質(zhì)聚氨酯彈性體，硬度為邵氏D62。 首先對其面板材料開展了純彎曲疲勞實驗，然后對夾層板進行三點彎曲疲勞實驗。

圖1 板格單元示意圖

1 聚氨酯彈性體夾芯板靜力彎曲實驗

層間強度是決定夾層板破壞形式和極限載荷的一個控制因素，所以為了研究這兩種破壞形式對彎曲和疲勞性能的影響，我們將試件分為兩種，一種是對鋼板內(nèi)表面未進行處理，另外一種是對其進行使用高強度膠粘貼在一起。針對兩種不同的層間剪切強度的試樣，選定跨距，調(diào)整支座，跨中安裝位移傳感器。如圖2所示，實驗在INSTRON4505試驗機開展，其破壞形式為圖2右圖。

實驗結(jié)果如圖3所示。

在加載曲線上可以看出，曲線都有明顯的彈性段、塑性強化階段和破壞階段，在塑性強化階段，夾層板出現(xiàn)載荷下降的毛刺，這說明此時在彈性體和鋼板界面之間出現(xiàn)了局部脫粘，提高層間剪切強度是提高夾層板整體力學(xué)性能的重要方法。

圖2 三點彎曲靜力實驗

圖3 三點彎曲實驗曲線

值得注意的是，由于夾芯粘彈性的性質(zhì)，夾層板的開裂有一定的延時特性，即在彎曲實驗結(jié)束時，雖有裂紋存在，但并沒有明顯的開裂現(xiàn)象，放置一段時間（幾分鐘至幾小時）后，夾層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大范圍的脫粘。這是因為聚氨酯彈性體具有很大的變形回復(fù)范圍，在裂紋出現(xiàn)，荷載卸去后，由于上下面板的回復(fù)受到約束，使得在裂紋上下表面由受載時的壓、剪作用轉(zhuǎn)化為裂紋的拉伸作用，此時由于聚氨酯彈性體的粘彈性作用，裂紋的開裂不明顯，隨著時間的增加，由于彈性體的松弛作用，使得裂紋持續(xù)開裂。

2 疲勞實驗

選用同樣的兩組試件在電液伺服疲勞試驗機上開展實驗，實驗頻率1!3Hz，分別在彈性階段，如圖1中的屈服點作為屈曲載荷進行實驗，和屈曲階段進行疲勞加載。塑性階段的極限載荷定義為以下兩個條件之一：

1）靜力彎曲實驗中的曲線出現(xiàn)下降毛刺，幅度為總載荷的10%，這時說明夾層板內(nèi)部界面間出現(xiàn)脫粘或內(nèi)部夾芯發(fā)生撕裂。

2）曲線未出現(xiàn)毛刺而總體位移下降距離為跨度的20%。

為了研究夾層鋼板的疲勞性能，首先開展了彈性范圍內(nèi)的疲勞實驗研究。以圖線3中的彈性段的頂端為板的屈服極限，采用施加恒幅載荷的方法來進行實驗。實驗采用Instron8801高頻疲勞試驗機上進行，應(yīng)力比為0.9，與文獻[7]類似，荷載水平定義為實驗時最大載荷與靜力屈服載荷的比值。最大實驗載荷為屈服載荷的90%.

圖4 三點彎曲疲勞實驗加載圖

2.1 65Mn材料的純彎曲疲勞實驗

為了檢驗夾層板結(jié)構(gòu)的疲勞極限，首先對夾層鋼板材料進行純彎曲疲勞實驗，實驗的開展在疲勞純彎曲疲勞試驗機上。

分別取4個試件，取載荷水平為分別在60%、70%、80%和90%的屈服載荷作用下進行彎曲疲勞實驗，測得的S-N曲線如下圖所示：

由圖擬合獲得純彎曲疲勞的S-N曲線：

2.2 實驗頻率的確定

粘彈性夾芯的存在，使得疲勞測試發(fā)生困難。對于聚氨酯彈性體夾芯鋼板，測試頻率和測試載荷都會對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)帶來影響。

使用圖1中的試樣在疲勞試驗機上開展疲勞實驗，其極限值取其屈服極限，分別在最大實驗載荷為60%、70%、80%、90%的情況下，以應(yīng)力比0.9時的載荷進行不同頻率下的實驗，檢驗試件的疲勞載荷響應(yīng)和位移響應(yīng)。所加載荷如表1所示。

分別對應(yīng)20Hz、15Hz、10Hz、5Hz和1Hz進行實驗，獲得其實際內(nèi)部載荷響應(yīng)的幅值如圖6所示。

圖5 Mn材料S-N曲線

表1 三點彎曲實驗施加的載荷

圖6 不同加載頻率對應(yīng)的疲勞載荷

從圖6中可以看出，對于在不同頻率下施加了相應(yīng)的幅值，其由于粘彈性的存在，其彈性響應(yīng)與結(jié)構(gòu)的頻率有關(guān)，當(dāng)循環(huán)的開始階段，載荷逐漸上升時，產(chǎn)生較大的變形，載荷下降時，由于試件存在粘彈性性能，無法馬上回到初始位置，所有會產(chǎn)生一定的載荷延遲，當(dāng)施加高頻的循環(huán)載荷時，使得自身的載荷響應(yīng)無法達到最初的設(shè)計載荷值。從圖中可以看到，隨著頻率的降低，試件響應(yīng)載荷值越來越接近外加載荷的設(shè)置值，對如圖的試件，加載頻率小于3Hz才可以獲得較為理想的疲勞載荷幅值。

為了檢驗面板材料的疲勞強度，使其與面板純彎曲疲勞性能進行比較，需要進行等效計算?？紤]到夾層板的受力是單向拉壓受力狀態(tài)，同純彎曲實驗載荷不同，根據(jù)文獻[6],考慮到荷載類型的差別，引入載荷類型因子CL,定義為其他加載方式下，疲勞強度與旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強度的比值。則公式（1）中的公式可以寫成

其中S-1是在其他加載方式下應(yīng)力比為-1的材料的疲勞極限。對于金屬材料在拉壓載荷情況下，CL＝0.85，則（2）式可以寫成：

這是在應(yīng)力比為-1時純彎曲實驗獲得的s-n曲線，要獲得其他荷載水平的S-N曲線，可以通過Goodman曲線來進行換算：

其中sm和 ss分別為平均應(yīng)力和屈服應(yīng)力，（4）代入（3）式可得：

式（5）即為在拉壓載荷作用下，某一荷載水平的S-N曲線。當(dāng)已知平均應(yīng)力和屈服應(yīng)力時，對應(yīng)一定的載荷水平，可以近似計算出其疲勞壽命。

2.3 夾層板三點彎曲疲勞實驗結(jié)果

以2Hz加載頻率進行加載，90%屈服載荷為循環(huán)最大載荷，應(yīng)力比取為0.9進行疲勞實驗，荷載與位移曲線圖如圖7所示。

在圖中可以看出，在應(yīng)力比為0.9，以90%屈服載荷為循環(huán)最大載荷時，由于粘彈性性質(zhì)的存在使得曲線具有曲線下降的趨勢，在前2萬次作用，曲線下降速度較快，之后變化趨緩。在應(yīng)力為380Mpa時，加載150萬次后，材料沒有明顯的裂紋和變形。

圖7 夾層板疲勞載荷與位移曲線

將參數(shù)代入（5）式，計算得到面板在未受到夾芯約束的時循環(huán)次數(shù)為630963次，所以，由于粘彈性體夾芯的存在，使得對面板的約束作用提高了面板的疲勞極限。

3 結(jié)論

通過對面板材料的純彎曲疲勞實驗和對粘彈性夾芯板的疲勞實驗，發(fā)現(xiàn)由于粘彈性夾芯的存在，導(dǎo)致了夾芯板結(jié)構(gòu)的荷載響應(yīng)與加載頻率密切相關(guān)，只有在加載頻率小于5Hz時才能實現(xiàn)循環(huán)載荷加載。同樣由于粘彈性體夾芯的存在，使得對面板的約束作用極大地提高了面板的疲勞極限。

[1]M. A. Brooking; S. Kennedy(2004). The Performance,Safety and Production Benefits of SPS Structures for Double Hull Tankers. www.ie-sps.com.

[2]Stephen J. Kennedy. An Innovative “No Hot Work”Approach to Hull Repair on In-Service FPSOs Using Sandwich Plate System Overlay. Offshore Technology Conference. (2003).

[3]李玲, 李大綱, 徐平, 等. 疲勞/蠕變交互作用下竹木復(fù)合層合板斷裂損傷研究, 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報, 第28卷, 增刊2, 2006 年12 月.

[4]S.C. Sharma, M. Krishna, H.N. Narasimha Murthy, et al.Fatigue Studies of Polyurethane Sandwich Structures.Journal of Materials Engineering and Performance. Volume 13(5) October 2004-637.

[5]Gary K. Lui,Scott D.B. AlexanderFatigue of Steel Plate-Elastomer Composite Beams. Structural Engineering Report No. 274. December, 2007.

[6]姚衛(wèi)星, 等. 結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析, 國防工業(yè)出版社, 2002.

[7]蘆頡, 鄒廣平, 曹揚, 唱忠良, 劉寶君. 鋼質(zhì)蜂窩夾芯梁高溫疲勞試驗及壽命預(yù)測研究, 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報.