30、往复荷载作用下泡沫铝夹芯梁结构的力学行为研究

总结与展望

泡沫铝夹芯结构作为泡沫金属夹芯结构的代表，其力学性能，包括静态力学性能、动态力学性能，尤其是疲劳行为的研究受到国内外学者和研发人员的重视。疲劳行为研究、刚度退化等涉及到固体力学、实验力学、材料学等多门学科。由于泡沫铝材料的特异性，造成泡沫铝夹芯结构的优化设计较难形成通用的理论并进而推广。同时由于疲劳 试验中，实验条件、实验器材等的复杂性，制约了目前国内外该种结构的疲劳行为的研究，实验数据尚不完善，研究深度上不够深入。仍然需要进行大量的泡沫铝夹芯结构疲劳力学性能的实验研究。因此，有效的实验研究结果对于满足日益增长的工业材料需要 是非常重要的，对于深入了解泡沫铝夹芯结构的耐久性行为具有重要的学术价值。

一、本文的工作

本文以东南大学材料科学与工程学院制备的泡沫铝为研究对象，研究了该种闭孔泡沫铝夹芯梁结构的结构优化设计方法并提出相应的理论判据。运用优化设计方法，针对往复荷载试验设计并制备了需要的泡沫铝夹芯梁结构。研究了铝面板、钢面板夹芯结构的尺寸参数对疲劳循环次数、最大循环载荷等参数的影响规律。

具体过程和结论如下：

1、实验研究了不同厚跨比的泡沫铝夹芯梁结构在准静态三点弯曲载荷下的力学行为。实验发现夹芯梁的三点弯曲加载过程是一个非线性过程，主要分为两个阶段：弹性变形阶段和塑形破坏阶段。厚跨比增大后结构的极限承载力也随之增大，但是结构的承载力稳定性却随着厚跨比的增大而降低，也就是说，厚跨比很大的夹芯梁结构承载力波动很大，不适宜作为实际工程结构。这也成为夹芯梁结构优化设计的一项指标。能量分析也得出，随着厚跨比的增大，结构的能量吸收也随之增大，但是离散型也随之增大。表明，厚跨比增大之后，结构的吸能模式和途径增多，导致最终破坏模式的多样化。通过这些指标参数，得到了理论优化设计的实验依据，并提出了相应的优化设计理论。对往复荷载试验做铺垫作用。

2、实验研究了经过优化设计之后的泡沫铝夹芯梁结构在往复荷载作用下的力学行为。实验之前优化改进了疲劳试验夹具，以更好的满足理想状态下的三点弯曲疲劳试验的要求。研究发现随着厚跨比的增大夹芯结构的疲劳循环次数有明显的下降趋势，临界破坏载荷、初始载荷有明显的上升，并表现出较良好的数据稳定性。通过分析试件的破坏模式和结果参数的关联性，发现原因在于不同尺寸参数的夹芯结构在加载过程中的损伤积累模式不同。之后基于刚度退化理论进行分析，建立了夹芯梁结构的刚度退化过程的理论模型，并且与试验数据进行了对比，发现试验可以较好的符合理论模型。随后的实验中，对泡沫铝夹芯结构的面板层换之以钢面板进行相同条件下的往复荷载试验。发现厚跨比的增大夹芯结构的疲劳循环次数同样有明显的下降趋势，临界破坏载荷、初始载荷有明显的上升，但是稳定性较铝面层的夹芯梁差很多，脱胶现象严重。

二、展望及对以后工作的建议

目前国内外对于泡沫铝夹芯结构的疲劳性能的研究不够深入，还有很多的问题需要解决，还有很多的困难需要克服，这也有待于进一步研究。

1、疲劳行为的研究中，本文只考虑了位移控制的加载模式，对于力控制的加载模式，结构尺寸参数对疲劳性能的影响都有待于进一步的研究。本文根据文献资料，建立了刚度退化的理论模型，并对比了实际加载过程中结构的刚度退化模式。但是夹芯梁结构的刚度退化理论和损伤积累模型众多，找到与所加工试样的实际模型相吻合的理论模型是需要做进一步深入研究的地方。位移加载模式下的寿命预测问题也是下一步需要开展的工作重点之一，结构寿命预测前期需要做大量的试验，以保证结构在加载过程中的稳定性。

2、本文中钢面板的泡沫铝夹芯结构的疲劳性能试验中出现的问题较多。主要是结构在往复加载过程中的稳定性相比于铝面板的泡沫铝夹芯结构要差很多。原因在于钢面板的弹性模量比同尺寸的铝面板要大很多，导致结构的截面刚度分布不均。对于钢质面板的夹芯梁在静态实验条件下的研究比较欠缺，积累的理论和经验较少，在接下来的研究中需要对钢面板的泡沫铝夹芯梁结构做大量的静态试验之后得到优化设计理论和方法，以此来指导往复荷载试验的试样的制备。

总之，本文的研究还有很多不完善和需要改进的地方，研究工作也只是一个初级的阶段，后续要完成的工作还有很多。