硬质泡沫夹层复合材料疲劳损伤演化及影响机制

针对在轨道车辆、航空航天、船舶制造等领域日益广泛应用的硬质闭孔泡沫夹层结构复合材料为研究对象，运用试验测试和数值分析等手段，开展拉伸、弯曲等疲劳载荷作用下的损伤演化规律以及影响机制的研究。探索不同参数如载荷幅度、加载频率，以及芯层密度等对疲劳性能和损伤演化的影响规律。讨论夹层结构对温度变化的敏感特性，针对不同密度芯层的泡沫夹层结构，对其在高温和低温环境下的疲劳性能和微观损伤机理进行分析。此外，对于含有初始损伤如缺口、穿孔、连接、冲击等对夹层结构疲劳过程的影响进行研究，重点分析低速冲击作用下后续疲劳损伤演化规律。另一方面，利用泡沫芯层的本构关系，建立合理的夹层结构数值模型，通过模拟给出应力分布特征，以及宏观破坏与微观损伤之间的联系。提出有效的疲劳损伤参量描述和损伤累计模型，完善夹层结构疲劳寿命的预测公式，以及材料疲劳失效的衡量准则。

选用在航空和交通领域广泛应用的铝板聚甲基丙烯酸亚胺(PMI)硬质泡沫芯层夹层结构进行研究。给出了三点弯曲载荷作用下的力-位移曲线和破坏模式，分析了面板、夹层和粘结层的影响。研究发现面板材料的力学性能决定了复合材料损伤和破坏的形式。此外粘结层对于夹层结构整体力学行为也起着非常重要的作用。..对不同损伤破坏模式下的极限载荷预测公式进行了分析比较，针对PMI夹层结构确定了极限载荷预测公式，并通过不同芯层厚度夹层结构的测试曲线得到很好的验证。初步建立了夹层结构的有限元仿真模型，分别对面板层、芯层和粘结层进行建模计算，给出静态载荷作用下的受力响应特征。..给出了载荷控制模式下夹层结构的疲劳寿命曲线和损伤破坏演化过程。采用中心加载点的位移增幅作为损伤参量，推导了疲劳损伤模型和预测公式。分析了恒位移疲劳作用模式下夹层结构的疲劳寿命和损伤演化。恒位移模式下，损伤破坏分为两种形式：当位移幅值较大时，加载接触位置处面板出现坍塌并导致最终刚度的下降。当位移幅值较小时，表现为面板和芯层的脱离。针对两种损伤模式，采用载荷幅值作为损伤参量，分别给出损伤预测公式。..针对频率的影响进行分析，在较低频率情况下，频率对疲劳寿命和损伤模式的影响几乎可以忽略不计。应力幅度无论对结构的疲劳寿命，还是损伤模式均有着比较显著的影响。随着应力比的增加，疲劳寿命明显提高。应力比较大的情况下，损伤表现为面层和芯层的脱离；应力比较小时，则表现为面板层的坍塌和逐步断裂。..低温环境下，夹层结构疲劳寿命最长，表层和芯层材料强度增加，塑性降低。高温环境下的疲劳寿命最短。在高低温环境下，夹层结构的疲劳破坏形式均与常温环境相同。对于初始冲击损伤的夹层结构研究发现：随着初始冲击能量的增加，夹层结构弯曲刚度有着明显的降低，疲劳寿命也随之减少。但是不同的冲击能量并未改变夹层结构的破坏模式。此外，对于不同位置的初始冲击损伤，其影响规律和影响程度也并不相同。在加载点附近的冲击损伤影响程度明显大于其它位置处的损伤。