5、往复荷载作用下泡沫铝夹芯梁结构的力学行为研究

1.2.3泡沫铝及其复合结构的力学性能的研究进展B

2)往复荷载下的力学性能

在许多实际工程结构中，多数夹芯结构都要面临循环荷载的作用，结构的疲劳强度以及循环荷载下的力学行为就成为设计阶段急需要解决的难题。虽然关于泡沫铝夹芯结构的静态强度等问题研究较深入，但是由于往复疲劳分析的复杂性，实验研究的耗时性，实验条件尤其是设备条件要求较高，制约了泡沫铝夹芯结构的耐久性、疲劳性能研究。

国外对于泡沫铝及其夹芯结构的疲劳性能研究较国内早。Burman和Zenkert等人对复合材料的夹芯结构的进行了研究，得出了基于不同应力比下的疲劳寿命曲线的两参数Weibull方程，分析出不同应力比对于材料疲劳性能的影响，并深入研究了疲劳裂纹的发生和发展，他们的研究成果对于泡沫铝夹芯梁结构有很大的意义。Kulkami等人也对复合材料的夹芯结构进行了疲劳实验的研究，文章给出了用于三点弯曲疲劳实验的夹具，此种夹具有意将夹头设计成特殊形状，让试件避免产生凹陷破坏的情况。实验得出了不同应力水平下的S-N曲线和破坏模式分析，并对相同尺寸的试件进行了疲劳寿命的预测。Sugimura等人对铝合金泡沫试样进行了压缩寿命的分析，得出结论：压缩的塑性变形只会在临界力的条件下才发生，作者还给出了循环压缩条件下，泡沫铝细观损坏情况。Ashby等人研究了不同厂商的商业泡沫铝试样的疲劳性能，用线弹性断裂力学解释了裂纹的生成模式；Harte等人则比较了闭孔泡沫铝和开孔泡沫铝的在拉-拉和压-压不同应力条件下的疲劳性能异同。Vendra等人研究了CMF材料(复合金属泡沫材料)的疲劳性能，不同于传统的规则金属泡沫材料，CMF材料的疲劳过程中变形分三个阶段。疲劳寿命和极限载荷与孔壁的厚度以及材料的尺寸都有着很大的关系。Kolluri等人也进行疲劳试验研究了闭孔泡沫铝材料，实验中将泡沫铝材料置于尺寸合适的容器中，以此将试样的周边都约束住。实验分析表明，加载初期的应变积累与没有周边约束的情况是相差很小的，后期的应变迅速增大的情况，与周边约束关系密切。Fleck等人研究了金字塔锥体孔结构的夹芯三明治梁的静态力学性能和疲劳性能，得到静态载荷和疲劳载荷条件下的以夹芯板基本尺寸作为坐标值参数的破坏模式图谱，这些成果非常有利于针对对应的载荷条件设计最优化的试样尺寸。南洋理工大学的Sha等人研究了泡沫铝芯材与其它金属材料作为面材的夹芯梁结构在四点弯曲疲劳载荷下的疲劳性能，实验研究表明加强后的面板材料有利于提高疲劳极限荷载，文章还对不同的破坏模式进行分析。Dattoma等人用实验和数值方法研究了泡沫铝夹芯梁结构的四点弯曲疲劳性能，着重考虑了结构的几何尺寸的影响，包括核心层和面层的厚度、荷载的跨度，还考虑了荷载模式的影响。尽管实验数据的差异性较大，实验和数值模型结果仍有较好的一致性。Ingraham等人运用数字图像相关的测量方法研究了特制闭孔泡沫铝试件在低周轴心拉压循环荷载下的损伤发展情况，并运用Coffin-Manson相关模型来预测试件的疲劳寿命，结果表明拉压循环对裂纹的发展及构件破坏模式具有重要的影响。Mohammad和Shivakumar两人研究了复合泡沫塑料夹芯梁结构在四点弯曲剪切疲劳寿命的预测方法以及破坏模式的分析。结论是：疲劳寿命复合幂律方程的分布，方程中的常数参数是根据不同的破坏模式来确定的。Jen等人研究了-25℃到75℃的范围内的蜂窝铝夹芯板结构的弯曲疲劳实验，疲劳强度随着温度的上升有着显著的下降，破坏模式主要有局部凹陷破坏、面层屈服和核心剪切破坏三种形式。在Harte和Ashby早先研究中，尺寸效应对泡沫铝夹芯梁的四点弯曲疲劳强度结果有很大的影响。他们给出了以尺寸为参数的三种破坏模式的分布图，对夹芯梁的设计有重要的指导作用。国内的姚进斌等人也研究了泡沫铝芯的的复合板的弯曲疲劳行为，他们所用的材料在循环弯曲荷载下基本失效方式是表面凹陷和泡沫铝内芯剪断两种。西南交通大学的陈哲有限元模拟了泡沫铝块体材料的单调压缩力学行为，并基于周期性边界条件，对球形开孔泡沫铝在循环荷载下的棘轮行为进行了模拟分析，发现孔隙率对于循环变形行为的影响最大。

如上所述，对于泡沫金属夹芯结构以及类似的复合材料夹芯结构的疲劳性能研究还不是很完善，研究方法和手段也有待提高。而泡沫金属夹芯结构作为空间飞行器和船舶的承载力结构主体的潜在应用背景和越来越广泛的应用需求，使得深入研究泡沫金属夹芯结构特别是泡沫铝夹芯梁板在往复荷载作用下的力学性能和疲劳寿命问题变得十分迫切。