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閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)耐撞性研究（二）

1.2夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

正如上文提到，夾層結(jié)構(gòu)由于有著密度小、強(qiáng)度和剛度較高、吸能特性較好等特點(diǎn)，在航空航天、船舶、軌道交通和汽車制造等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用，為了挖掘夾層結(jié)構(gòu)潛在的應(yīng)用價(jià)值，研究人員對夾層結(jié)構(gòu)探索從未止步不前。

最早對夾層結(jié)構(gòu)較為深入系統(tǒng)的研究要追溯到二十世紀(jì)六十年代，Allen等人早在1963年就發(fā)表了關(guān)于夾層結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)著作。主要內(nèi)容涉及有：在普通梁理論的基礎(chǔ)上發(fā)展夾層梁的彎曲理論，包括夾層結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、撓度等的詳細(xì)推導(dǎo)；在歐拉桿及歐拉公式的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出夾層結(jié)構(gòu)在均勻軸向加載工況下的臨界載荷等理論；此外還基于應(yīng)變能的方法對夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析；在對夾層結(jié)構(gòu)的工程實(shí)際設(shè)計(jì)方面，Allen等人也給出了幾種指導(dǎo)性的設(shè)計(jì)方法。由于夾層結(jié)構(gòu)優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能，在實(shí)際工程中作為結(jié)構(gòu)件而得到廣泛使用，而在工程實(shí)際應(yīng)用中，夾層結(jié)構(gòu)由于承受的載荷方式不同，其破壞機(jī)理和力學(xué)行為不盡相同，在此方面，研究人員根據(jù)加載速度和受力方式不同，包括靜態(tài)彎曲、動態(tài)沖擊和爆炸試驗(yàn)等，對夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)及失效模式等方面做了詳盡的實(shí)驗(yàn)研究。

簡支梁夾層結(jié)構(gòu)由于其可控因素多、破壞機(jī)理相對簡單等特點(diǎn)，所以以往有更多的研究人員關(guān)注在邊界條件沒有限制的簡支梁工況。McCormack、Kesler、Triantafillou、Petras和Chen等人探究了三、四點(diǎn)彎曲工況下簡支梁夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，研究中觀察到幾種典型的失效模式，如面板屈服、面板起皺、芯層剪切、壓痕壓入等，通過對各初始失效模式的強(qiáng)度理論模型構(gòu)建相應(yīng)的失效模式分布圖，對實(shí)際工程設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。而夾層結(jié)構(gòu)作為一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中很少以簡支梁的形式存在，通常會對結(jié)構(gòu)梁的兩端或者多點(diǎn)限制，達(dá)到支撐和固定的作用，因此，一些學(xué)者對夾層結(jié)構(gòu)固支條件的力學(xué)行為和破壞機(jī)理進(jìn)行研究。Tagarielli等人研究了泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)和PVC泡沫夾層結(jié)構(gòu)在簡支梁和固支梁條件下的初始失效模式和屈服后變形。Jianxun Zhang等人研究了幾何不對稱金屬面板夾層結(jié)構(gòu)在固支梁條件下的初始塑性變形，并建立了的初始失效模式分布圖。隨著結(jié)構(gòu)防撞保護(hù)應(yīng)用的不斷增多，夾層結(jié)構(gòu)的后屈曲行為和能量吸收受到了廣泛的關(guān)注；Crupi等人對泡沫和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的屈曲過程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)夾層結(jié)構(gòu)在后續(xù)屈曲過程中主要出現(xiàn)對稱和非對稱兩種彎曲屈曲模式，并對相應(yīng)失效模式建立理論模型，用來預(yù)測相應(yīng)失效模式的峰值載荷。此外，Lin Jing等人用實(shí)驗(yàn)和仿真的方法探究了不同能量沖擊下變梯度芯材夾層固支梁的彎曲變形和耐撞性，文中指出，梯度夾層結(jié)構(gòu)在小初始沖擊能量下，主要以整體彎曲變形為主，芯層沒有明顯裂紋破壞，隨著初始沖擊能量增大，整體彎曲變形更大并伴隨著中間跨度位置芯層拉伸裂紋和支撐端位置的芯層剪切失效，此外文中還指出正負(fù)梯度芯夾層結(jié)構(gòu)對彎曲沖擊載荷的耐撞性均比非梯度整體式芯夾層結(jié)構(gòu)的耐撞性更差。

此外，夾層結(jié)構(gòu)在汽車應(yīng)用中所承載的另一種典型載荷為面內(nèi)壓潰，為此研究人員在這方面做了許多的探索。 Mamals等人比較了四種聚合物泡沫夾層結(jié)構(gòu)(PMI泡沫，兩種密度的PVC泡沫和聚氨酯泡沫)在面內(nèi)壓縮工況下的壓潰特性和吸能特點(diǎn)。王凱倫等人研究了蜂窩芯層高度、密度和面板的剛度對夾層結(jié)構(gòu)面內(nèi)壓縮響應(yīng)的影響，文中指出，芯層高度對結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)載荷和峰值載荷影響顯著，上下面板剛度不對稱對失穩(wěn)載荷影響大而對峰值載荷影響不明顯。

Hongshuai Lei等人通過理論、實(shí)驗(yàn)和仿真方法研究了PVC泡沫夾層復(fù)合材料的面內(nèi)壓縮響應(yīng)，他們通過采用簡單的理論模型來預(yù)測各種失效模式的臨界失效載荷。Zhi sun等人對用格柵增強(qiáng)蜂窩芯層的夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行面內(nèi)壓縮的實(shí)驗(yàn)和仿真研究，他們發(fā)現(xiàn)新夾層結(jié)構(gòu)的比剛度、吸能和臨界載荷比組成新夾層結(jié)構(gòu)各部分之和還要高，此外，他們還提出了一種計(jì)算組合夾層結(jié)構(gòu)臨界屈曲載荷的有限元方法。正如上所述，研究人員對聚合物和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)面內(nèi)壓縮的研究已有較為全面的探索，而對金屬泡沫夾層結(jié)構(gòu)面內(nèi)壓縮的研究相對涉及較少。

車身覆蓋件受到道路上的飛石、空中的冰雹、高空拋物等的意外沖擊是汽車在服役過程中時(shí)有發(fā)生的事情，盡管有時(shí)這樣的損傷甚至不易察覺，但結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和可靠性可能會受到影響，因此，夾層結(jié)構(gòu)低速沖擊下的行為響應(yīng)越來越受到關(guān)注。C.C.Foo提出了一種改進(jìn)的能量平衡模型，用于預(yù)測低速沖擊夾層結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)載荷和撓曲歷程，將預(yù)測范圍從彈性拓展到塑性。Yuan Chen建立了一個解決層間破壞、層間和粘膠劑之間分層并且與材料應(yīng)變率有關(guān)的模型，用來預(yù)測蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在低速沖擊下的損傷機(jī)制，該數(shù)值模型可以較為準(zhǔn)確地描述關(guān)鍵穿孔機(jī)理和相關(guān)的破壞模式，并能很好地對總吸能以及載荷-位移曲線進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)測。Abdullah Akatay研究了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)單次沖擊和反復(fù)沖擊的壓縮性能以及對其殘余性能的影響。此外對多層芯材夾層結(jié)構(gòu)的研究也層出不窮，Buket Okutan Baba研究了梯度泡沫和夾層結(jié)構(gòu)的曲率對沖擊特性的影響，研究表明，曲面夾層結(jié)構(gòu)的耐沖擊能量更好。