夹层结构泡沫芯材疲劳性能比较

 　　瑞典斯德哥尔摩皇家理工大学对X-PVC、PEI和PMI泡沫夹层结构梁做了四点疲劳试验，分别得出三种不同结构芯材发生剪切疲劳破坏的载荷、变形、剪切强度和S/N曲线。设定合适的加载幅度，在1×10³-5×10⁶次循环加载条件下，如果夹层结构梁发生疲劳破坏，就可以得到相应的疲劳破坏载荷。对于经过5×10⁶循环以后对未发生破坏的试件，通过静力方法（ASTM C393-62）测量其剩余剪切强度。
        
        简介

　　试验对PMI、X-PVC和PEI三种类型的结构泡沫的疲劳性能进行了研究、比较。因为产品来自不同厂家，在夹层结构梁测试中选择的芯材密度有所不同，但是所有的试验都在同一个四点弯曲试验机（图1）上完成，夹层结构的试验设计破坏形式都是芯材发生剪切破坏。首先进行静力试验，测试夹层结构梁的静剪切强度，然后进行疲劳加载试验，疲劳实验的加载次数在1×10³-5×10⁶之间，按照试验设定，试件发生疲劳断裂。在试验得出的S/N曲线中，疲劳破坏载荷的大小是以其与剪切强度的比值的形式给出。如果经过5×10⁶ 循环加载试件未发生破坏，采用和原先测试静力性能相同的方法测试试件的剩余剪切强度。
        
        试验方法 
         
 　　所有试验均采用四点弯曲试验机，在ASTM C393-62 ^[1] 标准的基础上进行。通过四点弯曲试验 ^[2] 测试夹层结构芯材剪切疲劳性能的方法，已被证实可行 ^[3-4] 。四点弯曲试验本身的优点是构件不会出现大的应力集中，夹层结构（面层材料－胶－芯材）在加载过程中相对独立，与实际使用过程中结构的受力情况相似。弯矩和剪力如图2所示，在内外支点之间，剪力是一个常数，弯矩的变化是从内支点处的最大值减小到外支点处的零。在四点弯曲试验中，中间截面处的弯矩是一个常量（也是最大值），同时剪力为零；在内外支点之间剪力是常量。 
        
　　在测试过程中，内外支点之间的芯材的受力几乎为纯剪应力状态，这正是试验所需要的。根据Zenkert^[5]提出的方法，结合示意图上的标注，计算得出最大剪力T_max和最大剪应力τmax分别是：
 

　　其中P 等于四点弯曲试验机所加载荷的1/2。t_c和t_f分别是芯材和面板的厚度。 
         
 　　同时，最大的弯矩M_max以及根据近似公式（该关系适用于面板对称的夹层结构）计算得出的最大面板拉伸/压缩应力σ_max分别是：
      其中，L1和L2是图2中试件支点之间的距离。为了让四点弯曲试件发生芯材剪切破坏，支点的间距必须经过计算，使得芯材的剪切破坏成为结构的临界破坏形式。假定芯材的极限剪应强度是τ_i，面板的极限拉伸强度是σ_i，后者可以是压缩、拉伸或者局部屈曲强度强度。根据面材和芯材的弹性模量（E_f 和 E_c ）以及芯材的剪切模量之间的关系得出：