夾層結(jié)構(gòu)泡沫芯材疲勞性能比較

　　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(shù)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(shù)脂導(dǎo)流介質(zhì)材料，并用真空袋密封，抽真空，通過(guò)注射口注射樹(shù)脂，兩側(cè)纖維同時(shí)浸潤(rùn)，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。
 

    剪切試驗(yàn) 
         
　　首先利用靜力加載剪切試驗(yàn)得到疲勞試驗(yàn)的加載范圍。在22℃的室溫環(huán)境下，按照ASTM C393-62，使用Schenk PSA40 液壓試驗(yàn)機(jī)，每組測(cè)試3個(gè)相同的試件，加載速度為 6 mm/min 。 

　　試件
　　瑞典斯德哥爾摩皇家理工大學(xué)對(duì)X-PVC、PEI和PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)梁做了四點(diǎn)疲勞試驗(yàn)，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(qiáng)度和S/N曲線。設(shè)定合適的加載幅度，在1×103-5×106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(duì)于經(jīng)過(guò)5×106循環(huán)以后對(duì)未發(fā)生破壞的試件，通過(guò)靜力方法（ASTM C393-62）測(cè)量其剩余剪切強(qiáng)度      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(shù)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(shù)脂導(dǎo)流介質(zhì)材料，并用真空袋密封，抽真空，通過(guò)注射口注射樹(shù)脂，兩側(cè)纖維同時(shí)浸潤(rùn)，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。

　　疲勞試驗(yàn) 

　　試驗(yàn)研究的目的是在載荷振幅為常量時(shí)，比較這幾種泡沫材料的疲勞性能。試驗(yàn)加載比率R=0.1，每組至少六個(gè)試件。          
　　疲勞試驗(yàn)在一臺(tái)40 kN的Schenk通用液壓侍服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。所有疲勞試驗(yàn)都使用了一種特殊的控制回路——間接加載控制系統(tǒng)。加載通過(guò)位移控制加載，記錄下加載反應(yīng)，在經(jīng)過(guò)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(guò)疲勞試驗(yàn)得出標(biāo)準(zhǔn)的S/N曲線，如圖3所示。Y軸是PMI 51 S 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(duì)數(shù)。加載循環(huán)次數(shù)的最大值為5×106，部分試件在經(jīng)過(guò)5×106次循環(huán)加載試驗(yàn)后，沒(méi)有發(fā)生破壞。圖7為PMI 51 S 在 P/Pcrit=65%，n=1×106 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5×106 次加載循環(huán)條件下的疲勞破壞剪切強(qiáng)度值。 
        
　　剩余剪切強(qiáng)度 
         
　　在經(jīng)過(guò)5×106次加載循環(huán)，如果試樣未發(fā)生破壞，疲勞試驗(yàn)中止，轉(zhuǎn)而進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)方法和原先的靜力試驗(yàn)相同。試驗(yàn)結(jié)果在表5中列出。 
         
 　　結(jié)論     

　　進(jìn)行的一系列試驗(yàn)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(jiàn)表4。） 
        
　　疲勞試驗(yàn)的剪切破壞載荷和剪切破壞強(qiáng)度與靜力情況相比，差異很小。這表明PMI泡沫材料在高動(dòng)態(tài)載荷下的夾層結(jié)構(gòu)中具有良好的可靠性。 
        
　　經(jīng)過(guò)5×10⁶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(yàn)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(dá)57%。這兩種泡沫芯材都失去了原有的延性，這需要進(jìn)一步的研究來(lái)解釋。 
        
　　雖然經(jīng)過(guò)了疲勞試驗(yàn)，但是PMI泡沫芯材的剪切破壞變形終保持同一個(gè)數(shù)量級(jí)。 
　　多年來(lái)的實(shí)踐證明夾層結(jié)構(gòu)PMI泡沫芯材材料最適合于高動(dòng)力載荷的應(yīng)用領(lǐng)域，例如鐵路機(jī)車(chē)、高速船舶、航天航空和風(fēng)機(jī)葉片等。一系列試驗(yàn)的結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。 
        
　　建議進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究，以建立豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)，使設(shè)計(jì)人員能夠針對(duì)自己特殊的應(yīng)用選擇最優(yōu)的泡沫材料。 
         
        參考文獻(xiàn)：
        [1] Annual Book of the ASTM Standards, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, PA. 
        [2] Olsson K.-A. and Lonno A., “Test Procedure For Foam Core Materials”, Proceeding of First International Conference on Sandwich Construction, Eds. K.-A. Olsson and R. P. Reichard, EMAS, Solihull, UK, pp. 293-318, 1989.
        
        [3] Burman M. and Zenkert D., “ Fatigue of Foam Core Sandwich Beams, Part 1: Undamaged Specimens” International Journal of Fatigue, Vol. 19, No. 7, pp. 551-561, 1997.
        
        [4] Burman M. and Zenkert D., “ Fatigue of Foam Core Sandwich Beams, Part 2: Damaged Specimens” International Journal of Fatigue, Vol. 19, No. 7, pp. 563-578, 1997.
        
        [5] Zenkert D., An Introduction to Sandwich Construction, EMAS, Solihull, UK, 1995.
        
        [6] ROHACELL®Data sheets - Rohm GmbH & Co.KG.
        
        [7] Airex®Herex®Data sheets- ALCAN Airex AG.