复合材料泡沫夹层结构力学性能与试验方法.pdf

《复合材料泡沫夹层结构力学性能与试验方法.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、2005年第2期玻璃钢/复合材料3一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一复合材料泡沫夹层结构力学性能与试验方法孙春方，薛元德，胡培（同济大学航空航天与力学学院，上海200092）摘要：本文讨论纤维增强复合材料与聚合物泡沫组成的夹层结构的刚度、强度及弯曲性能试验方法；分析了复合材料面层的弹性常数、泡沫芯层的模量和夹层结构的刚度；阐述了夹层结构的应力分布和常见的5种破坏模式；对夹层结构的疲劳强度和冲击时的力学行为进行了探讨。关键词：复合材料；泡沫；夹层结构；力学性能中图分类号：TB332文献标识

2、码：A文章编号：l003-0999（2005）02-0003-04l引言为开口泡沫。2由轻质芯体与两层刚硬坚固的外壳制成的结构Gc=C2E（S!c/!S）（2）件称为夹层结构。芯体对外壳的分隔增大了结构的Gc为泡沫的剪切模量；!S，ES表示泡沫固体的惯性矩，而质量几乎没增加，得到一个抗弯曲和屈曲密度和模量；C2—0.4为开口泡沫。载荷的有效结构。它常用于为减小重量的场合。外对闭口泡沫，其表达式还将包含膜应力和气体［l］壳或面材一般是金属（如铝）或纤维增强复合材料，压力的修正项。即泡沫的杨氏模量与剪切模量，芯体是蜂窝、聚合物泡沫、木材等。本文讨论纤维

3、增主要由泡沫的相对密度!c/!S所决定，与相对密度强复合材料与聚合物泡沫组成的夹层结构。探讨轨的平方成正比。道车辆用复合材料泡沫夹层结构中的一些力学性能（2）面层的模量及相应的试验方法。复合材料是由两种或两种以上El=EfVf+EmVm（3）不同化学性质或物理性质的组分复合而成的材料。EEfmE2=（4）复合材料具有质量轻、比强高，易于加工和改型、耐VmEf+VfEm腐蚀、可设计性强等优点。涉及到的材料包括碳纤GGmfGl2=（5）维、玻璃纤维、环氧树脂和酚醛树脂等。聚合物泡沫VfGm+VmGf是一种最常见的芯材，主要有聚氯乙烯（PVC）、聚苯El

4、为纤维方向的弹性模量；E2为垂直于纤维方乙烯（PS）、聚氨酯（PU）、聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）、向的弹性模量；Ef为纤维的弹性模量；Em为基体的聚醚酰亚胺（PEI）和丙烯腈-苯乙烯（SAN或AS）。弹性模量；Vf、Vm为纤维、基体的体积含量；Gl2为剪33密度从30kg/m到300kg/m不等。通常在复合材料切弹性模量；Gf、Gm为纤维、基体的剪切弹性模量。3中使用的泡沫密度在40~200kg/m之间。夹层结（3）夹层结构的刚度构的力学性能取决于表层和芯部材料的力学性能及夹层结构的刚度主要由抗弯刚度和剪切刚度来几何尺寸。主要涉及夹层结构的强度和刚

5、度。强度描述。对矩形截面梁其等效抗弯刚度主要指复合材料的拉、压性能，泡沫的剪切强度，夹（EI）=Ebt2/6+Ebc3/l2+Ebtd2/2（6）egfcf层结构的疲劳强度和冲击时的力学行为。刚度是指忽略第l，2项，取d—（cd=c+t），复合材料、泡沫和夹层结构的拉、压、剪切模量。当2（EI）eg=Efbtc/2（7）车辆设计采用夹层结构时，夹层结构的强度和刚度2等效剪切刚度（AG）eg=bdGc/c（8）是十分重要的。取d—c，（AG）eg=bcGc（9）2夹层结构的刚度梁的挠度（l）泡沫的模量Pl3Pl2"="b+"S=+（l0）Ec=ClE

6、（S!c/!S）（l）B（lEI）egB（2AG）egEc为泡沫的杨氏模量；!c为泡沫的密度；Cl—l（l为梁跨度）收稿日期：2004-07-23作者简介：孙春方（l963-），男，副研究员，博士研究生。FRP/CM2005.NO.24复合材料泡沫夹层结构力学性能与试验方法2005年3月一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1/31/3!b为弯曲挠度；!S为剪切挠度。B1，B2取决于M3EfEc#f==221/3（15）加载几何因素的常数，如三点弯曲，梁跨中心荷载btc[12（3-Vc）（1

7、+Vc）]P，简支梁B1=48，B2=4。③泡沫芯层发生剪切破坏，也有很少的情况下对于给定的抗弯刚度P/!，梁的重量越小越好，泡沫发生拉伸、压缩破坏。剪应力$c等于剪切过程此时梁的重量中泡沫的剪切强度$c'，2/3W=2"fgblt+"cgblc（11）$c=$c'=C1（1"c/"S）#yS（16）若泡沫密度选定，从（10）得到t，代入（11），令C11为比例常数。dw/dc=0，得最佳泡沫厚度cOpt，再代入（10）得tOpt，④面层与芯层接合处接合失效。粘结破坏分析即可进行最优化设计。较难，由于环氧树脂的粘结强度一般高于芯层强度，当粘结无缺陷

8、时，很少有脱层现象。但若面层与芯层间界面含有缺陷时，在（交变）载荷作用下有时会扩展而破坏。破坏应力为：1/2#f=（GcE