夹层结构泡沫芯材疲劳性能比较

　　夹层结构试件的铺层结构形式与通常的船艇结构相同，制造工艺也是采用树脂注射工艺，一步完成。将干纤维多轴向织物直接铺设在夹层结构芯材的上下两侧，然后铺放树脂导流介质材料，并用真空袋密封，抽真空，通过注射口注射树脂，两侧纤维同时浸润，室温制造、固化。使用圆形金刚砂锯将构件切割成需要的尺寸。试件的结合尺寸和所用材料在表1和2中列出。在表7中列出了这几种芯材的力学性能。
 

    剪切试验 
         
　　首先利用静力加载剪切试验得到疲劳试验的加载范围。在22℃的室温环境下，按照ASTM C393-62，使用Schenk PSA40 液压试验机，每组测试3个相同的试件，加载速度为 6 mm/min 。 

　　试件
　　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      夹层结构试件的铺层结构形式与通常的船艇结构相同，制造工艺也是采用树脂注射工艺，一步完成。将干纤维多轴向织物直接铺设在夹层结构芯材的上下两侧，然后铺放树脂导流介质材料，并用真空袋密封，抽真空，通过注射口注射树脂，两侧纤维同时浸润，室温制造、固化。使用圆形金刚砂锯将构件切割成需要的尺寸。试件的结合尺寸和所用材料在表1和2中列出。在表7中列出了这几种芯材的力学性能。

　　疲劳试验 

　　试验研究的目的是在载荷振幅为常量时，比较这几种泡沫材料的疲劳性能。试验加载比率R=0.1，每组至少六个试件。          
　　疲劳试验在一台40 kN的Schenk通用液压侍服试验机上进行。所有疲劳试验都使用了一种特殊的控制回路——间接加载控制系统。加载通过位移控制加载，记录下加载反应，在经过一定次数的循环以后，将载荷变化的平均值返回给位移控制系统。 
 　　通过疲劳试验得出标准的S/N曲线，如图3所示。Y轴是PMI 51 S 疲劳破坏载荷和静力载荷的比值，X轴为加载循环次数（n）的对数。加载循环次数的最大值为5×106，部分试件在经过5×106次循环加载试验后，没有发生破坏。图7为PMI 51 S 在 P/Pcrit=65%，n=1×106 次循环加载条件下，发生剪切疲劳破坏的照片。图4 -6为X-PVC 和 PEI的S/N值。表4 是5×106 次加载循环条件下的疲劳破坏剪切强度值。 
        
　　剩余剪切强度 
         
　　在经过5×106次加载循环，如果试样未发生破坏，疲劳试验中止，转而进行静力加载试验，试验过程和试验方法和原先的静力试验相同。试验结果在表5中列出。 
         
 　　结论     

　　进行的一系列试验表明，PMI泡沫能够承受相当于58% 的静力破坏载荷的疲劳载荷，X-PVC 能承受相当于33%的静力破坏载荷的疲劳载荷，PEI 泡沫只有25%。PMI 泡沫芯材的抗疲劳性能最好。（参见表4。） 
        
　　疲劳试验的剪切破坏载荷和剪切破坏强度与静力情况相比，差异很小。这表明PMI泡沫材料在高动态载荷下的夹层结构中具有良好的可靠性。 
        
　　经过5×10⁶次循环，试样未发生破坏的情况下，在随后的静力加载破坏试验中，发现PVC和PEI泡沫的静力加载剪切破坏变形降低最多达57%。这两种泡沫芯材都失去了原有的延性，这需要进一步的研究来解释。 
        
　　虽然经过了疲劳试验，但是PMI泡沫芯材的剪切破坏变形终保持同一个数量级。 
　　多年来的实践证明夹层结构PMI泡沫芯材材料最适合于高动力载荷的应用领域，例如铁路机车、高速船舶、航天航空和风机叶片等。一系列试验的结果也证明了这一点。 
        
　　建议进行进一步的深入研究，以建立丰富的数据库，使设计人员能够针对自己特殊的应用选择最优的泡沫材料。 
         
        参考文献：
        [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.