閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)耐撞性研究（六十）

總結(jié)與展望

泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)由于質(zhì)量輕、強度和剛度較高、吸能特性較好等特點，在航空航天、船舶、軌道交通和汽車制造等領(lǐng)域有著廣泛的應用。考慮到汽車在服役期間，其結(jié)構(gòu)件主要受到的三種典型工況(即三點彎曲、面內(nèi)壓縮和低速沖擊)的沖擊碰撞，本文主要通過實驗的方法研究了泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)在這三種典型工況下的變形模式、失效機理和耐撞性能。

(1)在準靜態(tài)三點彎曲工況中，主要用實驗的方法研究了不同面板材料及不同尺寸參數(shù)的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的失效模式、變形機理以及耐撞性能的比較，同時用數(shù)值模擬的方法比較了鋁合金夾層結(jié)構(gòu)的兩種臨界失效模式的應力分布特點。在彎曲工況下，泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的臨界失效模式主要有三種，分別為壓痕壓入(IN)、芯層剪切(CS)和界面分離(DB)，試件面板較薄，泡沫芯層較厚的情況下，泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)更容易趨向于壓痕壓入失效(IN)；泡沫密度越高，泡沫芯層厚度較薄，試件更容易趨向于界面分離(DB)；其特定位置的耦合失效模式是臨界失效模式演變的失效模式組合。在三種不同面板厚度的夾層結(jié)構(gòu)中，臨界載荷隨面板厚度的增加呈現(xiàn)正增長趨勢，而吸能和比吸能的變化趨勢需要視面板的材料而定。在同一厚度不同面板材料的夾層結(jié)構(gòu)比較中，耐撞性能最佳者需要視面板的厚度而定。此外，鋁合金夾層結(jié)構(gòu)的臨界載荷、總吸能以及比吸能隨芯層高度的增加而增加，而對其芯層密度而言，只有臨界載荷與芯層密度呈正增長趨勢。最后還發(fā)現(xiàn)，在選擇同等芯層質(zhì)量的夾層結(jié)構(gòu)時，增加鋁合金夾層結(jié)構(gòu)的芯層高度比增大芯層密度更能提高其在彎曲工況下的耐撞性能。

(2)對面內(nèi)壓縮工況而言，用實驗的方法研究了面板材料以及幾何參數(shù)對泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)響應機理、失效模式和耐撞性能的影響。鋁合金夾層結(jié)構(gòu)最初的失效破壞形式以面板屈曲變形并伴隨著膠層失效為主，其載荷-位移曲線基本可以分為三個階段；而纖維增強夾層結(jié)構(gòu)最初的失效破壞形式以面板的脆性斷裂為主，其載荷-位移曲線基本可以分為兩個階段。無論是鋁合金夾層結(jié)構(gòu)還是纖維增強夾層結(jié)構(gòu)，夾層結(jié)構(gòu)面板厚度的增加均能明顯提高其耐撞性能。在三種不同面板材料的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)中(面板厚度相同)，鋁合金夾層結(jié)構(gòu)有最好的耐撞性能，玻璃纖維夾層結(jié)構(gòu)有最差的耐撞性能。對芯層密度而言，鋁合金夾層結(jié)構(gòu)在低密度芯層到中密度芯層變化時，其耐撞性能明顯提高，而當芯層密度過大時，夾層結(jié)構(gòu)的耐撞性能的改善明顯降低。對芯層高度而言，鋁合金夾層結(jié)構(gòu)在小厚度芯層到中厚度芯層變化時，其耐撞性能明顯提高，而當芯層高度過大時，夾層結(jié)構(gòu)的吸能改善明顯降低，而比吸能反而降低。

(3)在低速沖擊實驗中，主要研究了面板材料以及幾何參數(shù)對泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)響應機理和耐撞性能的影響。鋁合金夾層結(jié)構(gòu)的失效機理可以分為兩類，兩者的相同之處是均因上下面板的斷裂出現(xiàn)峰值載荷下降，差異在于下面板與芯層之間膠層是否出現(xiàn)失效；纖維增強夾層結(jié)構(gòu)失效機理與鋁合金夾層結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)膠層失效的那種失效過程類似，區(qū)別之處在于前者的面板以脆性破壞為主，后者以塑性變形破壞為主。對面板厚度而言，泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的耐沖擊性能隨面板厚度的增加而變強。在不同面板材料的夾層結(jié)構(gòu)比較中(面板厚度相同)，鋁合金夾層結(jié)構(gòu)有最好的耐撞性能，玻璃纖維夾層結(jié)構(gòu)的耐撞性能其次，而碳纖維夾層結(jié)構(gòu)的耐

撞性能在三者幾乎是最差的。對芯層而言，鋁合金夾層結(jié)構(gòu)的耐沖擊性能隨芯層密度的增加而顯著提升，而隨其芯層高度的增加而提升不明顯，因此，在增加相同芯層質(zhì)量的前提下增大夾層結(jié)構(gòu)泡沫芯層的密度比增加泡沫芯層的高度更能改善其耐沖擊性能。

本文主要通過實驗的方法研究了泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)在三點彎曲、面內(nèi)壓縮和低速沖擊三種工況下的力學性能。由于筆者時間與水平有限，所以對泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的研究只是冰山一角，未能對這方面的工作做出一個系統(tǒng)全面的探究，比如說考慮環(huán)境因素的影響，此外，理論預測和數(shù)值模擬方面的工作鮮有涉及，所以本文還可以從以下幾個方面進一步拓展：

(1)首先，隨著泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)在汽車等交通運輸工具上的廣泛使用，全球各地溫度差的對其結(jié)構(gòu)性能的影響也不容忽視，尤其是對本文涉及的膠粘劑泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)而言，因此探究不同溫度及溫度變化對泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)在各工況中力學響應及耐撞性能的影響是非常有必要的。

(2)其次，可以從理論分析的角度，研究夾層結(jié)構(gòu)在各工況下的結(jié)構(gòu)極限強度以及總吸能的計算公式或經(jīng)驗公式對今后的學科研究或工程應用都很有參考價值。

(3)最后，由于有限元仿真的研究成本低，且可以探究到結(jié)構(gòu)在失效過程中的細節(jié)更加清晰更加具體，因此可以從數(shù)值計算的角度，把泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)中芯層泡沫鋁以及膠層界面的失效考慮在材料本構(gòu)中，研究結(jié)構(gòu)的失效機理、各部分吸能特性以及材料及尺寸參數(shù)對其耐撞性能的影響。