夹层结构,作为一种先进的复合结构形式,融合了表层材料的抗弯性能与芯材的剪切力承受能力。该结构以其低密度、高比强度和比刚度、优异的冲击吸收和能量耗散特性而著称,有效结合了材料的高强度与多孔材料的能量吸收优势。在现实应用中,结构经常面临重复性载荷,如海洋结构的水流冲击、工业场所的重型物品跌落等,这些情况下的重复性冲击对结构的完整性和耐久性构成挑战。尽管重复性冲击问题在实际工程中极为普遍,目前对其影响的理解尚不充分。此外,金属面板的复合材料波纹夹层结构较传统复合材料面板夹层结构,具备更高的抗冲击性以及卓越的冲击缓冲性能而受到关注。然而,由于其构成材料的多样性及结构复杂性,对于此类结构在反复承受冲击载荷时的具体损伤模式及其损伤后承载能力的认识尚不清晰。
通过对金属面复合材料波纹夹层结构进行不同能量和不同冲击次数下多次冲击试验,探究其在低速冲击下动力学响应、载荷-位移特性以及能量吸收特征。采用对冲击后的试件进行CT无损扫描试验的方法,探究金属面复合材料波纹夹层结构在不同能量和不同冲击次数下冲击后的损伤形式。此外,采用对冲击后试件进行平面压缩试验的方法,探究金属面复合材料波纹夹层结构平面下的失效模式,探究多次冲击对结构剩余平面压缩强度的影响。
金属面复合材料波纹夹层结构在多次冲击下和冲击后压缩下展现出以下特征:1、复合材料波纹混杂夹层结构的冲击性能曲线可分为三个阶段:初始阶段,冲击力近似线性上升,此时夹层结构未发生明显损伤,处于弹性阶段;中间阶段,冲击力发生陡降,并伴随着冲击力抖动逐渐达到最大值,此时代表结构中复合材料的渐进损伤和金属的塑性变形;结束阶段,冲击力下降,此时冲头动能全部被转化,反弹开始。2、不同冲击能量单次冲击中,最大冲击力、弯曲刚度和能量吸收率随冲击能量增加而逼近阈值。当冲击能量达到40J时,最大冲击力趋近12.54kN,能量吸收比例趋近0.88。冲击位移与能量呈线性关系。在多次冲击中,初始几次冲击导致主要损伤。10J多次冲击下,最大冲击力、弯曲刚度和能量吸收率与冲击次数非线性相关;当累积能量达50J时,冲击力曲线转变,能量吸收比例降至0.32,损伤趋于饱和。20J多次冲击下,当累积能量达40J时,能量吸收比例经历初始陡降后线性下降,但最小能量吸收比例为0.5,仍高于10J多次冲击。高能量多次冲击会导致更严重的结构损伤。3、夹层结构的损伤模式包括基体开裂、纤维断裂、面层与芯层的脱粘、芯材压碎和屈服。在多次冲击过程中,初始几次冲击主要导致基体开裂和分层,随后的冲击加剧裂纹扩展和纤维断裂,从而削弱结构刚度。损伤区域在冲击能量到达60J时接近饱和,但高能量冲击更易引发纤维断裂和增大损伤面积,更快使结构损伤饱和。复合材料波纹混杂夹层结构的主要失效部位为上底与芯材支柱的连接处。4、冲击后平面压缩试验表明,局部的冲击会造成结构整体性能的丧失,其原理为在冲击过程中,复合材料发生分层和纤维断裂,并在外力的作用下裂纹会迅速扩展,削弱结构整体强度。多次冲击中,后续的冲击进一步加剧了裂纹的扩展,从而单点的冲击造成了整体的平面压缩强度丧失。5、含冲击损伤的碳纤维复合材料波纹混杂夹层结构,平面压缩破坏的失效模式表现出一致性。损伤累积过程中存在阈值现象:单次冲击中,当冲击能量达到40J时,剩余压缩强度系数的下降趋势减缓,趋于0.56;10J多次冲击中,累积冲击能量达到80J时,剩余压缩强度系数趋于0.58;20J多次冲击情况下,累积冲击能量达到60J时,剩余压缩强度系数趋于0.55。相较于低能量多次冲击,单次高能量冲击和多次高能量冲击更易导致金属面复合材料波纹混杂夹层结构的剩余强度降低。结构刚度的损失存在阈值现象,最大损失为45%。
金属面复合材料波纹夹层结构在多次冲击中展现出优异的抗冲击性能。首次冲击造成了大部分的伤害,随着冲击次数的提高将导致夹层结构的吸能性降低,抗冲击性下降。多次冲击中,夹层结构的损伤模式以芯材的基体开裂、分层和纤维断裂为主,大能量的多次冲击总是造成更大的损伤。此外,随着冲击次数的增多,损伤累积接近饱和,剩余压缩强度趋近阈值。
金属面复合材料波纹夹层结构结合了金属耐冲击和复合材料高比强度/比刚度的优点,是一种优异的新型结构形式,在服役过程中夹层结构会遭受多次冲击工况,而其多次冲击损伤模式及损伤后剩余强度规律目前尚未明确。为此通过多次冲击试验和CT无损扫描分析方法,对其在低速冲击动力学响应、内部失效模式、载荷-位移特性以及能量吸收特征进行了深入研究,并在此基础上,通过对冲击后的试件开展平面压缩试验,对多次冲击后的剩余压缩强度及失效模式进行了分析。结果表明:首次冲击造成了大部分的伤害,随着冲击次数的提高将导致夹层结构的吸能性降低,抗冲击性下降。多次冲击中,夹层结构的损伤模式以芯材的基体开裂、分层和纤维断裂为主,大能量的多次冲击总是造成更大的损伤。此外,随着冲击次数的增多,损伤累积接近饱和,剩余压缩强度趋近阈值。