泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復合夾芯梁動態(tài)三點彎曲試驗研究

辛亞軍，閆慧明，程樹良，肖 博，余 為，李慧劍

(1.燕山大學 河北省土木工程綠色建造與智能運維重點實驗室，河北 秦皇島 066004；2.燕山大學 河北省重型裝備與大型結構力學可靠性重點實驗室，河北 秦皇島 066004)

0 引言

泡沫鋁夾芯板具有輕質、吸能效果好、比剛度和比強度高等優(yōu)點[1-3]，同時也兼具有傳統(tǒng)致密材料的性能連續(xù)和受力條件好等特點[4]。近年來，作為超輕吸能結構，泡沫鋁夾芯板被廣泛地應用在航空、航天、工業(yè)制造等領域[5]。

為了更好地應用泡沫鋁夾芯結構，國內(nèi)外學者對泡沫鋁材料以及泡沫鋁夾芯板的力學性能進行了大量研究。余為等[6]進行了兩種孔隙形狀泡沫鋁/環(huán)氧樹脂復合材料彈性常數(shù)的研究，通過細觀力學胞元法建立模型，然后進行理論分析和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)孔隙形狀對復合材料的彈性模量具有較大影響，球形孔隙形狀復合材料的力學性能較矩形孔隙形狀的力學性能更為優(yōu)異。王巍等[7]提出一種以泡沫鋁為填充材料，鋼鋁復合管為外側覆層的泡沫鋁填充鋼鋁復合管，模擬分析了鋼鋁復合管覆層結構對其壓縮變形行為和能量吸收性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)泡沫鋁填充鋼鋁復合管兼具有泡沫鋁填充鋁管的效用性、緩沖性、結構輕量化優(yōu)勢，通過改變鋼鋁復合管的層厚比可實現(xiàn)壓縮與吸能性能的柔性定制和性能強化。強斌等[8]進行了三點彎曲荷載作用下粘結界面的泡沫鋁夾芯板實驗和模擬研究，發(fā)現(xiàn)隨著芯層的厚度增加泡沫鋁夾芯板的承載力和吸能能力會相應地增加。STEEVES等[9]對泡沫鋁夾芯梁在邊界條件為簡支狀態(tài)下，進行了三點彎曲實驗研究，探究了夾芯梁的力學性能，通過對實驗結果的分析，繪制了夾芯梁的破壞模式圖，揭示了梁的幾何形式在破壞時占了主導地位。JIANG等[10]對泡沫鋁夾芯梁在面板屈服、芯層剪切和壓縮條件下的破壞模式進行了理論研究，通過三點彎實驗獲得了在準靜態(tài)條件下泡沫鋁夾芯梁的臨界荷載的表達式和失效模式圖，實驗結果與理論預測的初始破壞模式和極限荷載強度基本一致。ZU等[11]測試了泡沫鋁夾芯板的三點彎曲強度，發(fā)現(xiàn)夾芯板的抗彎強度隨著鋼面板和芯層泡沫鋁的厚度增加而增加，芯層泡沫鋁內(nèi)泡壁表面的大尺寸裂紋是夾芯板在彎曲荷載作用下失效的主要原因。辛亞軍等[12]通過靜態(tài)四點彎曲試驗研究了泡沫鋁夾芯梁的破壞過程和破壞形態(tài)，發(fā)現(xiàn)芯層厚度和面層厚度對夾芯梁的彎曲承載力和吸能效果有明顯影響。ZHU等[13]模擬了泡沫鋁夾芯梁三點彎曲下的失效模式，模擬得到的臨界荷載與理論計算結果相符合，說明初始損傷理論和線性損傷演化規(guī)律可以描述泡沫鋁夾芯梁的剪切失效模式。WANG等[14]制作出一種新型的泡沫鋁夾芯結構，測試了其三點彎曲性能，發(fā)現(xiàn)這種新型的夾芯結構與傳統(tǒng)的泡沫鋁夾芯結構相比，綜合性能有所提高，并且得到了這種新型夾芯結構在彎曲強度最佳時的最優(yōu)制備參數(shù)。THEOTOKOGLOU等[15]利用有限元軟件模擬了泡沫鋁夾芯板裂縫開裂時的破壞形式，發(fā)現(xiàn)泡沫鋁夾芯板的裂縫的開裂是由底板開裂逐步發(fā)展到面板，這一現(xiàn)象是受到復雜荷載的作用而引起的，并通過數(shù)值模擬的結果得出了裂縫的開展是受到復雜的加載條件，確定了主要的裂縫開展模式。JING等[16]對芯體為3種不同類型的泡沫鋁的夾心結構進行了子彈沖擊試驗，分析了泡沫鋁夾心結構在動態(tài)沖擊下的變形與失效模式。孫亞東等[17]研究了孔隙率以及孔徑對夾芯板的彎曲性能的影響，發(fā)現(xiàn)孔隙率以及孔徑越大，夾芯板抗彎能力越高。夏志成等[18]對不同厚度夾芯板進行不同落錘高度沖擊試驗，測得上、下板面變形值并記錄了夾芯板的破壞情況，運用數(shù)值模擬軟件還原夾芯板沖擊過程導出面板與芯材吸能占比。

泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復合夾芯板是一種新型的復合夾芯板，其面層為泡沫鋁與環(huán)氧樹脂互穿材料，其靜態(tài)彎曲和局壓研究[19-20]表明這種夾芯板具有很好的抗壓性能和壓縮吸能能力，且具有較高的抗彎承載能力和塑性吸能能力。圖1為這種復合夾芯板的結構示意圖，由于復合層對泡沫鋁起到了約束加強作用，有效增強了其壓縮剛度、強度、吸能能力和整體性。本文將進行其三點彎曲沖擊試驗研究，分析其破壞形態(tài)，得到其荷載-時間曲線和能量-時間曲線，研究這種復合夾芯結構的動態(tài)力學性能。

H為試件厚度，t為復合層厚度，c為芯體厚度，a和b為試件邊長

圖1 泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復合夾芯梁結構示意圖

Fig.1 Schematic diagram of composite sandwich beam of aluminum foam and epoxy resin

1 試驗部分

1.1 試件制備

本試驗泡沫鋁材料選用北京中實強業(yè)泡沫金屬有限公司生產(chǎn)的球形泡沫鋁，密度為0.9 g/cm3，主孔徑2.5 mm，孔隙率80%，通孔率95%，環(huán)氧樹脂選用湖南把兄弟膠粘劑有限公司生產(chǎn)的E-44環(huán)氧樹脂膠及固化劑，選取鄰苯二甲酸二丁酯作為增塑劑。傳統(tǒng)泡沫鋁夾芯板的面層鋁板選自上海亮柏鋁業(yè)生產(chǎn)的1060鋁板，其抗拉強度為120 ～160 MPa，條件屈服強度≥85 MPa。

泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復合夾芯梁和傳統(tǒng)泡沫鋁夾芯梁具體制作方法參照文獻[20]。本文共設計了6組試件，試件長度為280 mm，寬度為40 mm，邊界條件為兩端固定支承，其它參數(shù)如表1所示，制作完成的復合夾芯梁如圖2所示。

表1 試件編號和參數(shù)

Tab.1 Specimen number and parameter

試件編號試件厚度H/mm復合層厚度t/mm沖擊速度v/(m/s)C1202.52.0C2202.53.0C3202.54.0C4302.53.0C5200.4(鋁板)3.0C62003.0

1.2 實驗裝置及加載

本試驗在河北省重型裝備與大型結構力學可靠性重點實驗室完成，試驗系統(tǒng)選用INSTRON CEAST 9350沖擊試驗系統(tǒng)，如圖3所示。該系統(tǒng)包含多種省時特性，可以進行廣泛的沖擊試驗，其設計制造滿足大多數(shù)通用標準。該系統(tǒng)裝配有可以自用落體的錘頭，可以通過變換不同的配重、沖擊速度、沖擊能來進行動態(tài)沖擊試驗。該系統(tǒng)具有儀器化高速試驗能力，配備了高精度傳感器，能自動采集并輸出荷載-時間曲線、能量-時間曲線等。為了防止二次沖擊，控制試驗結果的準確性，該試驗系統(tǒng)配備了防回彈系統(tǒng)。

圖2 泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復合夾芯梁

Fig.2 Composite sandwich beam of aluminum foam and epoxy resin

圖3 加載系統(tǒng)

Fig.3 Loading system

本試驗采用楔形沖頭，直徑為20 mm。加載支架跨度210 mm，高度290 mm，支架底部采用螺栓與機器固定在一起，防止沖擊荷載過大引起支架松動造成試驗結果不準確。將試件放置于支架上，兩頭用高強螺栓將其夾緊，圖3為其落錘沖擊試驗系統(tǒng)，圖4為固定裝置。

2 試驗結果及分析

2.1 破壞形態(tài)

當沖擊速度為2.0 m/s時，此時沖擊速度較低，試件并未被沖斷，上面層并未發(fā)生明顯破壞，下面層出現(xiàn)裂紋，但是裂紋并未延伸至芯體，靠近上面層中心處的泡沫鋁胞元發(fā)生輕微擠壓變形，如圖5(a)所示。

圖4 試件固定裝置

Fig.4 Specimen holder

當沖擊速度為3.0 m/s時，試件未被沖斷，試件上表面產(chǎn)生明顯變形，但未發(fā)生斷裂，夾具固定位置出現(xiàn)裂紋，上表面與芯體未發(fā)生脫離。試件下表面出現(xiàn)貫穿裂縫，裂縫延伸至芯體，芯體中心處被撕裂，兩側泡沫鋁胞元被擠壓變形，如圖5(b)所示。

圖5 不同沖擊速度下復合夾芯梁的破壞形態(tài)

Fig.5 Failure form of composite sandwich beam with different impact velocity

當沖擊速度為4.0 m/s時，此時沖擊速度較高，試件被沖斷，從中心處發(fā)生整體斷裂破壞，上表面兩端靠近夾具處裂縫增大，在整個沖擊試驗過程中，面層并未發(fā)生芯體脫離的現(xiàn)象，夾芯結構保持了較好的整體性，如圖5(c)所示。

2.2 沖擊速度的影響

在其他條件相同的情況下，分別設計了C1、C2和C3三組試件，試驗沖擊速度分別為2.0 m/s、3.0 m/s和4.0 m/s。提取了試件的荷載-時間曲線和能量-時間曲線，分別如圖6和圖7所示，提取了試件的最大沖擊荷載和吸能量的對比圖，如圖8所示。

圖6 不同沖擊速度試件荷載-時間曲線

Fig.6 Load-time curves with different impact velocity

由圖6可知，沖擊荷載最大值隨著沖擊速度增大而增大。在試驗初始階段，3組試件沖擊荷載隨時間的增加呈線性上升，隨后時間屈服，荷載曲線出現(xiàn)平臺段，試件破壞后荷載下降。當沖擊速度較低時，荷載平臺段較長，荷載下降段平緩，當沖擊速度較大時，荷載平臺段較短，荷載下降段急劇。

由圖7～8可知，當沖擊速度較低時試件吸收了全部沖擊能量，由于試件沒有被沖斷，試件還有吸能潛力，其吸能量遠遠低于其他兩組試件，且能量-時間曲線出現(xiàn)了反彈段。當沖擊速度較高時，試件被沖斷發(fā)揮了全部吸能能力，吸能量高于C1組。當沖擊速度過高時，試件發(fā)生脆性破壞，較早地退出試驗，C3組試件的吸能量略低于C2組試件。

圖7 不同沖擊速度試件吸能量-時間曲線

Fig.7 Energy-time curves with different impact velocity

圖8 不同沖擊速度試件最大沖擊荷載與吸能量

Fig.8 Maximum impact force and energy absorption with different impact velocity

綜上所述，沖擊速度對泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復合夾芯梁的動態(tài)力學性能有較大的影響，隨著沖擊速度的增加，夾芯梁的最大沖擊荷載逐漸增加，但是沖擊速度過大會使得其發(fā)生脆性破壞。在本試驗調(diào)控試驗參數(shù)范圍內(nèi)，沖擊速度為3.0 m/s時，泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復合夾芯梁具有最優(yōu)的抗沖擊性能。

2.3 芯層厚度的影響

其他條件相同的情況下，分別設計了C2和C4組兩組試件，夾芯梁厚度分別為20 mm和30 mm，采用沖擊速度為3.0 m/s進行沖擊試驗。圖9和圖10分別為兩組試件的荷載-時間曲線和吸能量-時間曲線，圖11為兩組試件最大沖擊荷載和吸能量的對比圖。

圖9 不同厚度試件荷載-時間曲線

Fig.9 Load-time curves with different sandwich thickness

圖10 不同厚度試件能量-時間曲線

Fig.10 Energy-time curves with different sandwich thickness

由圖9和圖11可知，隨著芯層厚度增加沖擊承載力增加，C4試件沖擊承載力為4.47 kN高于C2組試件的沖擊承載力3.48 kN。在加載初始階段，C4組試件荷載增長速率要高于C2組試件，C2組試件的平臺段比C4組長，說明隨著芯層厚度增加試件塑性增長。

由圖10和圖11可知，C4組試件吸能量隨時間的增長率要大于C2組，在相同時間內(nèi)，C4組試件夠吸收更多的能量。在總體吸能量方面，C4組試件吸能量為80.34 J，是C2組試件的1.4倍。

圖11 不同厚度夾芯梁最大沖擊荷載與吸能量

Fig.11 Maximum impact force and energy absorption with different sandwich thickness

綜上所述，泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復合夾芯梁的最大動態(tài)沖擊荷載與吸能效果隨著夾芯梁厚度的增加而增加。

2.4 與傳統(tǒng)夾芯梁對比

在芯層厚度為20 mm條件下，本文分別設計了復合夾芯梁C2、傳統(tǒng)泡沫鋁夾芯梁C5、純泡沫鋁梁C6，在沖擊速度為3.0 m/s下進行沖擊試驗。其中傳統(tǒng)泡沫鋁夾芯板的面層為0.4 mm鋁板。圖12為傳統(tǒng)夾芯梁和純泡沫鋁梁破壞形態(tài)，傳統(tǒng)泡沫鋁夾芯梁在試件中心處于靠近兩端支座處發(fā)生面層與芯體脫離的現(xiàn)象，降低了結構的強度。而純泡沫鋁梁表現(xiàn)出泡沫鋁胞元從中心處開始向兩側發(fā)生拉伸變形，靠近夾具處出現(xiàn)輕微裂縫，跨中下表面裂縫開展程度較大。

圖13和圖14分別為3組試件的荷載-時間曲線和能量-時間曲線，圖15為3組試件最大沖擊荷載與吸能量對比圖。

圖12 傳統(tǒng)泡沫鋁夾芯梁與純泡沫鋁夾芯梁破壞形態(tài)

Fig.12 Failure form of traditional sandwich beam of aluminum foam and beam of aluminum foam

圖13 不同類型試件荷載-時間曲線

Fig.13 Load-time curves with different type specimen

圖14 不同類型試件能量-時間曲線

Fig.14 Energy-time curves with different type specimen

由圖13和圖15可知，泡沫鋁梁的荷載-時間曲線相對較為平緩，這說明泡沫鋁梁自身具有一定的延性，但是由于其本身強度較低，因此在承受沖擊荷載時，泡沫鋁梁的沖擊承載力很低。而傳統(tǒng)泡沫鋁夾芯梁出現(xiàn)了面層與芯層出現(xiàn)分離，其沖擊承載力小于泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復合夾芯梁。C2組試件的沖擊承載力為3.48 kN，是C5組試件的1.27倍，是C6組試件的2.15倍。

圖15 不同類型試件最大沖擊荷載與吸能量

Fig.15 Maximum impact force and energy absorption with different type specimen

由圖14和圖15可知，C2組和C5組能量-時間曲線基本相似，兩組的能量隨時間的增加率都高于C6組。C2組的吸能量為57.38 J，是C5的1.06倍，C6組的1.45倍，泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復合夾芯梁的吸能量高于傳統(tǒng)泡沫鋁夾芯梁和泡沫鋁梁。

綜上所述，在試驗設定的參數(shù)范圍內(nèi)，泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復合夾芯梁的沖擊承載力和吸能能力優(yōu)于傳統(tǒng)泡沫鋁夾芯梁和單純的泡沫鋁梁，說明這種復合夾芯板具有優(yōu)越的力學性能。

3 結論

本文通過泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復合夾芯梁三點彎沖擊試驗研究研究了泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復合夾芯梁的破壞形態(tài)和力學性能，得到如下結論：

1)泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復合夾芯梁在承受動態(tài)荷載時具有較好整體性能，其面層與芯體并未發(fā)生脫離。

2)隨著沖擊速度的增大，這種復合夾芯梁的沖擊承載力增加，但是速度過大時會使得復合夾芯梁發(fā)生脆性破壞，從而影響其吸能能力。

3)隨著泡沫鋁芯層厚度的增加，復合夾芯梁的沖擊承載力與吸能能力也隨之增加。