夾層結構泡沫芯材疲勞性能比較

 　　瑞典斯德哥爾摩皇家理工大學對X-PVC、PEI和PMI泡沫夾層結構梁做了四點疲勞試驗，分別得出三種不同結構芯材發生剪切疲勞破壞的載荷、變形、剪切強度和S/N曲線。設定合適的加載幅度，在1×10³-5×10⁶次循環加載條件下，如果夾層結構梁發生疲勞破壞，就可以得到相應的疲勞破壞載荷。對于經過5×10⁶循環以后對未發生破壞的試件，通過靜力方法（ASTM C393-62）測量其剩余剪切強度。
        
        簡介

　　試驗對PMI、X-PVC和PEI三種類型的結構泡沫的疲勞性能進行了研究、比較。因為產品來自不同廠家，在夾層結構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，夾層結構的試驗設計破壞形式都是芯材發生剪切破壞。首先進行靜力試驗，測試夾層結構梁的靜剪切強度，然后進行疲勞加載試驗，疲勞實驗的加載次數在1×10³-5×10⁶之間，按照試驗設定，試件發生疲勞斷裂。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。如果經過5×10⁶ 循環加載試件未發生破壞，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。
        
        試驗方法 
         
 　　所有試驗均采用四點彎曲試驗機，在ASTM C393-62 ^[1] 標準的基礎上進行。通過四點彎曲試驗 ^[2] 測試夾層結構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點是構件不會出現大的應力集中，夾層結構（面層材料－膠－芯材）在加載過程中相對獨立，與實際使用過程中結構的受力情況相似。彎矩和剪力如圖2所示，在內外支點之間，剪力是一個常數，彎矩的變化是從內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；在內外支點之間剪力是常量。 
        
　　在測試過程中，內外支點之間的芯材的受力幾乎為純剪應力狀態，這正是試驗所需要的。根據Zenkert^[5]提出的方法，結合示意圖上的標注，計算得出最大剪力T_max和最大剪應力τmax分別是：
 

　　其中P 等于四點彎曲試驗機所加載荷的1/2。t_c和t_f分別是芯材和面板的厚度。 
         
 　　同時，最大的彎矩M_max以及根據近似公式（該關系適用于面板對稱的夾層結構）計算得出的最大面板拉伸/壓縮應力σ_max分別是：
      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生芯材剪切破壞，支點的間距必須經過計算，使得芯材的剪切破壞成為結構的臨界破壞形式。假定芯材的極限剪應強度是τ_i，面板的極限拉伸強度是σ_i，后者可以是壓縮、拉伸或者局部屈曲強度強度。根據面材和芯材的彈性模量（E_f 和 E_c ）以及芯材的剪切模量之間的關系得出：