泡沫铝-环氧树脂复合夹芯梁动态三点弯曲试验研究

2020-03-12辛亚军闫慧明程树良李慧剑

燕山大学学报 2020年1期

辛亚军，闫慧明，程树良，肖博，余为，李慧剑

(1.燕山大学河北省土木工程绿色建造与智能运维重点实验室，河北秦皇岛 066004；2.燕山大学河北省重型装备与大型结构力学可靠性重点实验室，河北秦皇岛 066004)

0 引言

泡沫铝夹芯板具有轻质、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[4]。近年来，作为超轻吸能结构，泡沫铝夹芯板被广泛地应用在航空、航天、工业制造等领域[5]。

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[6]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研究，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[7]提出一种以泡沫铝为填充材料，钢铝复合管为外侧覆层的泡沫铝填充钢铝复合管，模拟分析了钢铝复合管覆层结构对其压缩变形行为和能量吸收性能的影响规律，发现泡沫铝填充钢铝复合管兼具有泡沫铝填充铝管的效用性、缓冲性、结构轻量化优势，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[8]进行了三点弯曲荷载作用下粘结界面的泡沫铝夹芯板实验和模拟研究，发现随着芯层的厚度增加泡沫铝夹芯板的承载力和吸能能力会相应地增加。STEEVES等[9]对泡沫铝夹芯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。JIANG等[10]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研究，通过三点弯实验获得了在准静态条件下泡沫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。ZU等[11]测试了泡沫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[12]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吸能效果有明显影响。ZHU等[13]模拟了泡沫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，说明初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[14]制作出一种新型的泡沫铝夹芯结构，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度最佳时的最优制备参数。THEOTOKOGLOU等[15]利用有限元软件模拟了泡沫铝夹芯板裂缝开裂时的破坏形式，发现泡沫铝夹芯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。JING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[17]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出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，其静态弯曲和局压研究[19-20]表明这种夹芯板具有很好的抗压性能和压缩吸能能力，且具有较高的抗弯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。本文将进行其三点弯曲冲击试验研究，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。

H为试件厚度，t为复合层厚度，c为芯体厚度，a和b为试件边长

图1 泡沫铝-环氧树脂复合夹芯梁结构示意图

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

1 试验部分

1.1 试件制备

本试验泡沫铝材料选用北京中实强业泡沫金属有限公司生产的球形泡沫铝，密度为0.9 g/cm3，主孔径2.5 mm，孔隙率80%，通孔率95%，环氧树脂选用湖南把兄弟胶粘剂有限公司生产的E-44环氧树脂胶及固化剂，选取邻苯二甲酸二丁酯作为增塑剂。传统泡沫铝夹芯板的面层铝板选自上海亮柏铝业生产的1060铝板，其抗拉强度为120 ～160 MPa，条件屈服强度≥85 MPa。

泡沫铝-环氧树脂复合夹芯梁和传统泡沫铝夹芯梁具体制作方法参照文献[20]。本文共设计了6组试件，试件长度为280 mm，宽度为40 mm，边界条件为两端固定支承，其它参数如表1所示，制作完成的复合夹芯梁如图2所示。

表1 试件编号和参数

Tab.1 Specimen number and parameter

试件编号试件厚度H/mm复合层厚度t/mm冲击速度v/(m/s)C1202.52.0C2202.53.0C3202.54.0C4302.53.0C5200.4(铝板)3.0C62003.0

1.2 实验装置及加载

本试验在河北省重型装备与大型结构力学可靠性重点实验室完成，试验系统选用INSTRON CEAST 9350冲击试验系统，如图3所示。该系统包含多种省时特性，可以进行广泛的冲击试验，其设计制造满足大多数通用标准。该系统装配有可以自用落体的锤头，可以通过变换不同的配重、冲击速度、冲击能来进行动态冲击试验。该系统具有仪器化高速试验能力，配备了高精度传感器，能自动采集并输出荷载-时间曲线、能量-时间曲线等。为了防止二次冲击，控制试验结果的准确性，该试验系统配备了防回弹系统。

图2 泡沫铝-环氧树脂复合夹芯梁

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

图3 加载系统

Fig.3 Loading system

本试验采用楔形冲头，直径为20 mm。加载支架跨度210 mm，高度290 mm，支架底部采用螺栓与机器固定在一起，防止冲击荷载过大引起支架松动造成试验结果不准确。将试件放置于支架上，两头用高强螺栓将其夹紧，图3为其落锤冲击试验系统，图4为固定装置。

2 试验结果及分析

2.1 破坏形态

当冲击速度为2.0 m/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。

图4 试件固定装置

Fig.4 Specimen holder

当冲击速度为3.0 m/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。

图5 不同冲击速度下复合夹芯梁的破坏形态

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

当冲击速度为4.0 m/s时，此时冲击速度较高，试件被冲断，从中心处发生整体断裂破坏，上表面两端靠近夹具处裂缝增大，在整个冲击试验过程中，面层并未发生芯体脱离的现象，夹芯结构保持了较好的整体性，如图5(c)所示。

2.2 冲击速度的影响

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2.0 m/s、3.0 m/s和4.0 m/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。

图6 不同冲击速度试件荷载-时间曲线

Fig.6 Load-time curves with different impact velocity

由图6可知，冲击荷载最大值随着冲击速度增大而增大。在试验初始阶段，3组试件冲击荷载随时间的增加呈线性上升，随后时间屈服，荷载曲线出现平台段，试件破坏后荷载下降。当冲击速度较低时，荷载平台段较长，荷载下降段平缓，当冲击速度较大时，荷载平台段较短，荷载下降段急剧。

由图7～8可知，当冲击速度较低时试件吸收了全部冲击能量，由于试件没有被冲断，试件还有吸能潜力，其吸能量远远低于其他两组试件，且能量-时间曲线出现了反弹段。当冲击速度较高时，试件被冲断发挥了全部吸能能力，吸能量高于C1组。当冲击速度过高时，试件发生脆性破坏，较早地退出试验，C3组试件的吸能量略低于C2组试件。

图7 不同冲击速度试件吸能量-时间曲线

Fig.7 Energy-time curves with different impact velocity

图8 不同冲击速度试件最大冲击荷载与吸能量

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

综上所述，冲击速度对泡沫铝-环氧树脂复合夹芯梁的动态力学性能有较大的影响，随着冲击速度的增加，夹芯梁的最大冲击荷载逐渐增加，但是冲击速度过大会使得其发生脆性破坏。在本试验调控试验参数范围内，冲击速度为3.0 m/s时，泡沫铝-环氧树脂复合夹芯梁具有最优的抗冲击性能。

2.3 芯层厚度的影响

其他条件相同的情况下，分别设计了C2和C4组两组试件，夹芯梁厚度分别为20 mm和30 mm，采用冲击速度为3.0 m/s进行冲击试验。图9和图10分别为两组试件的荷载-时间曲线和吸能量-时间曲线，图11为两组试件最大冲击荷载和吸能量的对比图。

图9 不同厚度试件荷载-时间曲线

Fig.9 Load-time curves with different sandwich thickness

图10 不同厚度试件能量-时间曲线

Fig.10 Energy-time curves with different sandwich thickness

由图9和图11可知，随着芯层厚度增加冲击承载力增加，C4试件冲击承载力为4.47 kN高于C2组试件的冲击承载力3.48 kN。在加载初始阶段，C4组试件荷载增长速率要高于C2组试件，C2组试件的平台段比C4组长，说明随着芯层厚度增加试件塑性增长。

由图10和图11可知，C4组试件吸能量随时间的增长率要大于C2组，在相同时间内，C4组试件够吸收更多的能量。在总体吸能量方面，C4组试件吸能量为80.34 J，是C2组试件的1.4倍。

图11 不同厚度夹芯梁最大冲击荷载与吸能量

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

综上所述，泡沫铝-环氧树脂复合夹芯梁的最大动态冲击荷载与吸能效果随着夹芯梁厚度的增加而增加。

2.4 与传统夹芯梁对比

在芯层厚度为20 mm条件下，本文分别设计了复合夹芯梁C2、传统泡沫铝夹芯梁C5、纯泡沫铝梁C6，在冲击速度为3.0 m/s下进行冲击试验。其中传统泡沫铝夹芯板的面层为0.4 mm铝板。图12为传统夹芯梁和纯泡沫铝梁破坏形态，传统泡沫铝夹芯梁在试件中心处于靠近两端支座处发生面层与芯体脱离的现象，降低了结构的强度。而纯泡沫铝梁表现出泡沫铝胞元从中心处开始向两侧发生拉伸变形，靠近夹具处出现轻微裂缝，跨中下表面裂缝开展程度较大。

图13和图14分别为3组试件的荷载-时间曲线和能量-时间曲线，图15为3组试件最大冲击荷载与吸能量对比图。

图12 传统泡沫铝夹芯梁与纯泡沫铝夹芯梁破坏形态

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

图13 不同类型试件荷载-时间曲线

Fig.13 Load-time curves with different type specimen

图14 不同类型试件能量-时间曲线

Fig.14 Energy-time curves with different type specimen

由图13和图15可知，泡沫铝梁的荷载-时间曲线相对较为平缓，这说明泡沫铝梁自身具有一定的延性，但是由于其本身强度较低，因此在承受冲击荷载时，泡沫铝梁的冲击承载力很低。而传统泡沫铝夹芯梁出现了面层与芯层出现分离，其冲击承载力小于泡沫铝-环氧树脂复合夹芯梁。C2组试件的冲击承载力为3.48 kN，是C5组试件的1.27倍，是C6组试件的2.15倍。

图15 不同类型试件最大冲击荷载与吸能量

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

由图14和图15可知，C2组和C5组能量-时间曲线基本相似，两组的能量随时间的增加率都高于C6组。C2组的吸能量为57.38 J，是C5的1.06倍，C6组的1.45倍，泡沫铝-环氧树脂复合夹芯梁的吸能量高于传统泡沫铝夹芯梁和泡沫铝梁。

综上所述，在试验设定的参数范围内，泡沫铝-环氧树脂复合夹芯梁的冲击承载力和吸能能力优于传统泡沫铝夹芯梁和单纯的泡沫铝梁，说明这种复合夹芯板具有优越的力学性能。