夾層結(jié)構(gòu)泡沫芯材疲勞性能比較

 　　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5×10⁶循環(huán)以后對(duì)未發(fā)生破壞的試件，通過靜力方法（ASTM C393-62）測(cè)量其剩余剪切強(qiáng)度。
        
        簡(jiǎn)介

　　試驗(yàn)對(duì)PMI、X-PVC和PEI三種類型的結(jié)構(gòu)泡沫的疲勞性能進(jìn)行了研究、比較。因?yàn)楫a(chǎn)品來自不同廠家，在夾層結(jié)構(gòu)梁測(cè)試中選擇的芯材密度有所不同，但是所有的試驗(yàn)都在同一個(gè)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)（圖1）上完成，夾層結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)破壞形式都是芯材發(fā)生剪切破壞。首先進(jìn)行靜力試驗(yàn)，測(cè)試夾層結(jié)構(gòu)梁的靜剪切強(qiáng)度，然后進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn)，疲勞實(shí)驗(yàn)的加載次數(shù)在1×10³-5×10⁶之間，按照試驗(yàn)設(shè)定，試件發(fā)生疲勞斷裂。在試驗(yàn)得出的S/N曲線中，疲勞破壞載荷的大小是以其與剪切強(qiáng)度的比值的形式給出。如果經(jīng)過5×10⁶ 循環(huán)加載試件未發(fā)生破壞，采用和原先測(cè)試靜力性能相同的方法測(cè)試試件的剩余剪切強(qiáng)度。
        
        試驗(yàn)方法 
         
 　　所有試驗(yàn)均采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)，在ASTM C393-62 ^[1] 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn) ^[2] 測(cè)試夾層結(jié)構(gòu)芯材剪切疲勞性能的方法，已被證實(shí)可行 ^[3-4] 。四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)本身的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)件不會(huì)出現(xiàn)大的應(yīng)力集中，夾層結(jié)構(gòu)（面層材料－膠－芯材）在加載過程中相對(duì)獨(dú)立，與實(shí)際使用過程中結(jié)構(gòu)的受力情況相似。彎矩和剪力如圖2所示，在內(nèi)外支點(diǎn)之間，剪力是一個(gè)常數(shù)，彎矩的變化是從內(nèi)支點(diǎn)處的最大值減小到外支點(diǎn)處的零。在四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，中間截面處的彎矩是一個(gè)常量（也是最大值），同時(shí)剪力為零；在內(nèi)外支點(diǎn)之間剪力是常量。 
        
　　在測(cè)試過程中，內(nèi)外支點(diǎn)之間的芯材的受力幾乎為純剪應(yīng)力狀態(tài)，這正是試驗(yàn)所需要的。根據(jù)Zenkert^[5]提出的方法，結(jié)合示意圖上的標(biāo)注，計(jì)算得出最大剪力T_max和最大剪應(yīng)力τmax分別是：
 

　　其中P 等于四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)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(shí)，最大的彎矩M_max以及根據(jù)近似公式（該關(guān)系適用于面板對(duì)稱的夾層結(jié)構(gòu)）計(jì)算得出的最大面板拉伸/壓縮應(yīng)力σ_max分別是：
      其中，L1和L2是圖2中試件支點(diǎn)之間的距離。為了讓四點(diǎn)彎曲試件發(fā)生芯材剪切破壞，支點(diǎn)的間距必須經(jīng)過計(jì)算，使得芯材的剪切破壞成為結(jié)構(gòu)的臨界破壞形式。假定芯材的極限剪應(yīng)強(qiáng)度是τ_i，面板的極限拉伸強(qiáng)度是σ_i，后者可以是壓縮、拉伸或者局部屈曲強(qiáng)度強(qiáng)度。根據(jù)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(guān)系得出：