辛亞軍，閆慧明，程樹良，肖 博，余 為，李慧劍

(1.燕山大學(xué) 河北省土木工程綠色建造與智能運(yùn)維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004；2.燕山大學(xué) 河北省重型裝備與大型結(jié)構(gòu)力學(xué)可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004)

0 引言

泡沫鋁夾芯板具有輕質(zhì)、吸能效果好、比剛度和比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，同時(shí)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(diǎn)[4]。近年來(lái)，作為超輕吸能結(jié)構(gòu)，泡沫鋁夾芯板被廣泛地應(yīng)用在航空、航天、工業(yè)制造等領(lǐng)域[5]。

為了更好地應(yīng)用泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泡沫鋁材料以及泡沫鋁夾芯板的力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究。余為等[6]進(jìn)行了兩種孔隙形狀泡沫鋁/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料彈性常數(shù)的研究，通過(guò)細(xì)觀力學(xué)胞元法建立模型，然后進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)孔隙形狀對(duì)復(fù)合材料的彈性模量具有較大影響，球形孔隙形狀復(fù)合材料的力學(xué)性能較矩形孔隙形狀的力學(xué)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(fù)合管為外側(cè)覆層的泡沫鋁填充鋼鋁復(fù)合管，模擬分析了鋼鋁復(fù)合管覆層結(jié)構(gòu)對(duì)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(fù)合管兼具有泡沫鋁填充鋁管的效用性、緩沖性、結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)勢(shì)，通過(guò)改變鋼鋁復(fù)合管的層厚比可實(shí)現(xiàn)壓縮與吸能性能的柔性定制和性能強(qiáng)化。強(qiáng)斌等[8]進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲荷載作用下粘結(jié)界面的泡沫鋁夾芯板實(shí)驗(yàn)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(huì)相應(yīng)地增加。STEEVES等[9]對(duì)泡沫鋁夾芯梁在邊界條件為簡(jiǎn)支狀態(tài)下，進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)研究，探究了夾芯梁的力學(xué)性能，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)占了主導(dǎo)地位。JIANG等[10]對(duì)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(jìn)行了理論研究，通過(guò)三點(diǎn)彎實(shí)驗(yàn)獲得了在準(zhǔn)靜態(tài)條件下泡沫鋁夾芯梁的臨界荷載的表達(dá)式和失效模式圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)的初始破壞模式和極限荷載強(qiáng)度基本一致。ZU等[11]測(cè)試了泡沫鋁夾芯板的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)夾芯板的抗彎強(qiáng)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(guò)靜態(tài)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究了泡沫鋁夾芯梁的破壞過(guò)程和破壞形態(tài)，發(fā)現(xiàn)芯層厚度和面層厚度對(duì)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(diǎn)彎曲下的失效模式，模擬得到的臨界荷載與理論計(jì)算結(jié)果相符合，說(shuō)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(jié)構(gòu)，測(cè)試了其三點(diǎn)彎曲性能，發(fā)現(xiàn)這種新型的夾芯結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)相比，綜合性能有所提高，并且得到了這種新型夾芯結(jié)構(gòu)在彎曲強(qiáng)度最佳時(shí)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(shí)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(fù)雜荷載的作用而引起的，并通過(guò)數(shù)值模擬的結(jié)果得出了裂縫的開展是受到復(fù)雜的加載條件，確定了主要的裂縫開展模式。JING等[16]對(duì)芯體為3種不同類型的泡沫鋁的夾心結(jié)構(gòu)進(jìn)行了子彈沖擊試驗(yàn)，分析了泡沫鋁夾心結(jié)構(gòu)在動(dòng)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(duì)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(duì)不同厚度夾芯板進(jìn)行不同落錘高度沖擊試驗(yàn)，測(cè)得上、下板面變形值并記錄了夾芯板的破壞情況，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件還原夾芯板沖擊過(guò)程導(dǎo)出面板與芯材吸能占比。

泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復(fù)合夾芯板是一種新型的復(fù)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(fù)合夾芯板的結(jié)構(gòu)示意圖，由于復(fù)合層對(duì)泡沫鋁起到了約束加強(qiáng)作用，有效增強(qiáng)了其壓縮剛度、強(qiáng)度、吸能能力和整體性。本文將進(jìn)行其三點(diǎn)彎曲沖擊試驗(yàn)研究，分析其破壞形態(tài)，得到其荷載-時(shí)間曲線和能量-時(shí)間曲線，研究這種復(fù)合夾芯結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

H為試件厚度，t為復(fù)合層厚度，c為芯體厚度，a和b為試件邊長(zhǎng)

圖1 泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復(fù)合夾芯梁結(jié)構(gòu)示意圖

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

1 試驗(yàn)部分

1.1 試件制備

本試驗(yàn)泡沫鋁材料選用北京中實(shí)強(qiáng)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(qiáng)度為120 ～160 MPa，條件屈服強(qiáng)度≥85 MPa。

泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復(fù)合夾芯梁和傳統(tǒng)泡沫鋁夾芯梁具體制作方法參照文獻(xiàn)[20]。本文共設(shè)計(jì)了6組試件，試件長(zhǎng)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(fù)合夾芯梁如圖2所示。

表1 試件編號(hào)和參數(shù)

Tab.1 Specimen number and parameter

試件編號(hào)試件厚度H/mm復(fù)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(shí)驗(yàn)裝置及加載

本試驗(yàn)在河北省重型裝備與大型結(jié)構(gòu)力學(xué)可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，試驗(yàn)系統(tǒng)選用INSTRON CEAST 9350沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖3所示。該系統(tǒng)包含多種省時(shí)特性，可以進(jìn)行廣泛的沖擊試驗(yàn)，其設(shè)計(jì)制造滿足大多數(shù)通用標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)裝配有可以自用落體的錘頭，可以通過(guò)變換不同的配重、沖擊速度、沖擊能來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)。該系統(tǒng)具有儀器化高速試驗(yàn)?zāi)芰?，配備了高精度傳感器，能自?dòng)采集并輸出荷載-時(shí)間曲線、能量-時(shí)間曲線等。為了防止二次沖擊，控制試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，該試驗(yàn)系統(tǒng)配備了防回彈系統(tǒng)。

圖2 泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復(fù)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(yàn)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(jī)器固定在一起，防止沖擊荷載過(guò)大引起支架松動(dòng)造成試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。將試件放置于支架上，兩頭用高強(qiáng)螺栓將其夾緊，圖3為其落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，圖4為固定裝置。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)

當(dāng)沖擊速度為2.0 m/s時(shí)，此時(shí)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(dāng)沖擊速度為3.0 m/s時(shí)，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(cè)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(fù)合夾芯梁的破壞形態(tài)

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

當(dāng)沖擊速度為4.0 m/s時(shí)，此時(shí)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(gè)沖擊試驗(yàn)過(guò)程中，面層并未發(fā)生芯體脫離的現(xiàn)象，夾芯結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)了C1、C2和C3三組試件，試驗(yàn)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(shí)間曲線和能量-時(shí)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(duì)比圖，如圖8所示。

圖6 不同沖擊速度試件荷載-時(shí)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(yàn)初始階段，3組試件沖擊荷載隨時(shí)間的增加呈線性上升，隨后時(shí)間屈服，荷載曲線出現(xiàn)平臺(tái)段，試件破壞后荷載下降。當(dāng)沖擊速度較低時(shí)，荷載平臺(tái)段較長(zhǎng)，荷載下降段平緩，當(dāng)沖擊速度較大時(shí)，荷載平臺(tái)段較短，荷載下降段急劇。

由圖7～8可知，當(dāng)沖擊速度較低時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他兩組試件，且能量-時(shí)間曲線出現(xiàn)了反彈段。當(dāng)沖擊速度較高時(shí)，試件被沖斷發(fā)揮了全部吸能能力，吸能量高于C1組。當(dāng)沖擊速度過(guò)高時(shí)，試件發(fā)生脆性破壞，較早地退出試驗(yàn)，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(shí)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(duì)泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復(fù)合夾芯梁的動(dòng)態(tài)力學(xué)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(guò)大會(huì)使得其發(fā)生脆性破壞。在本試驗(yàn)調(diào)控試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，沖擊速度為3.0 m/s時(shí)，泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復(fù)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(shè)計(jì)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(jìn)行沖擊試驗(yàn)。圖9和圖10分別為兩組試件的荷載-時(shí)間曲線和吸能量-時(shí)間曲線，圖11為兩組試件最大沖擊荷載和吸能量的對(duì)比圖。

圖9 不同厚度試件荷載-時(shí)間曲線

Fig.9 Load-time curves with different sandwich thickness

圖10 不同厚度試件能量-時(shí)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(zhǎng)速率要高于C2組試件，C2組試件的平臺(tái)段比C4組長(zhǎng)，說(shuō)明隨著芯層厚度增加試件塑性增長(zhǎng)。

由圖10和圖11可知，C4組試件吸能量隨時(shí)間的增長(zhǎng)率要大于C2組，在相同時(shí)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(fù)合夾芯梁的最大動(dòng)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(duì)比

在芯層厚度為20 mm條件下，本文分別設(shè)計(jì)了復(fù)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(jìn)行沖擊試驗(yàn)。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(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(cè)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(shí)間曲線和能量-時(shí)間曲線，圖15為3組試件最大沖擊荷載與吸能量對(duì)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(shí)間曲線

Fig.13 Load-time curves with different type specimen

圖14 不同類型試件能量-時(shí)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(shí)間曲線相對(duì)較為平緩，這說(shuō)明泡沫鋁梁自身具有一定的延性，但是由于其本身強(qiáng)度較低，因此在承受沖擊荷載時(shí)，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(fù)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(shí)間曲線基本相似，兩組的能量隨時(shí)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(fù)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(yàn)設(shè)定的參數(shù)范圍內(nèi)，泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復(fù)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(shuō)明這種復(fù)合夾芯板具有優(yōu)越的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

本文通過(guò)泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復(fù)合夾芯梁三點(diǎn)彎沖擊試驗(yàn)研究研究了泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復(fù)合夾芯梁的破壞形態(tài)和力學(xué)性能，得到如下結(jié)論：

1)泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復(fù)合夾芯梁在承受動(dòng)態(tài)荷載時(shí)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(fù)合夾芯梁的沖擊承載力增加，但是速度過(guò)大時(shí)會(huì)使得復(fù)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(fù)合夾芯梁的沖擊承載力與吸能能力也隨之增加。