一个调查Tooth-Plate-Glass-Fiber混合夹层梁的力学行为

文摘

Tooth-plate-glass-fiber混合三明治(TFS)是一种由真空辅助树脂灌注夹层复合材料制造过程中,在玻璃纤维facesheets增强泡沫金属板连接到核心通过牙齿的指甲。TFS梁的弯曲性能和层间性能与各种泡沫密度进行了抗弯测试和DCB(双悬臂梁)测试。测试结果表明,通过增加泡沫核心密度从35公斤/米³到150公斤/米³TFS光束的峰值强度显著增加168%至258%,与纤维复合facesheets类似三明治梁。泡沫密度的变化和跨度,主要失效模式是核心剪切和facesheet压痕下加载辊。TFS标本的层间的应变能释放率也增加了泡沫的密度增加。此外,一个分析模型被用来预测TFS梁的极限弯曲强度,根据实验结果良好。

1。介绍

复合夹层结构由facesheets和核心,已广泛应用于结构工程,海洋,和交通运输业1]。纤维增强塑料(FRP)或金属层通常用作皮肤材料。金属板重,但有更好的抵抗冲击载荷。与金属facesheet相比,高强度重量比的特点和stiffness-to-weight比、纤维facesheets,分别当地低电阻的影响。为了结合二者的优势结构,纤维金属层板(件)创建,建立从交错层薄金属和纤维增强复合材料(2]。果有优越的特定的静态属性和破坏性能优异,包括高耐冲击和耐燃性(3- - - - - -5]。

在过去的二十年里,许多研究人员已经研究完了各种机械载荷下的力学性能。沙尼et al。6]研究了纤维金属层压制品的比例影响拉伸和三点弯曲测试。1050件是铝制的,单向环氧树指玻璃。测试结果表明,扩展对一般拉伸件的行为没有影响。件的失效模式是纤维断裂、分层复合层之间,金属和复合材料层间剥离,铝断裂拉力测试。他们还发现,纤维金属层压制品服从标度律下三点弯曲加载和金属之间的主要失效模式是脱胶和复合层。

Steeves和斑点(7]调查崩溃机制复合夹层梁的面孔和三点弯曲载荷下的泡沫的核心。结果表明,主要失效模式是facesheet microbuckling,塑料剪切的核心,facesheet压痕下中间辊加载。的失效模式主要取决于夹层梁的几何形状和密度的泡沫的核心。

Kabir et al。8]研究夹层板与铝的反应facesheets三点弯曲载荷下。他们表明,失效模式影响的强度facesheets,泡沫核心厚度,跨度长度。他们发现三明治板很薄铝facesheets通常是由压痕故障模式。脸收益率发生在低威力facesheets被使用,和核心收益率时发生强烈facesheets。他们还指出,显著增加facesheets强度略微增加板的抗弯强度。与此同时,提出了理论模型来预测每个失效模式的失效载荷。

Dariushi和Sadighi9]研究了夹层梁的弯曲性能和纤维金属层压板facesheets比较类似三明治梁与纤维复合的面孔。结果表明,面临当地有更好的抵抗横向负载,减小应力集中和局部变形加载下的皮肤和核心提示。此外,三明治梁与FML面临更大的弹性区和吸收更多的能量。此外,他们提出了一个几何非线性理论来预测force-deflection行为。

雷耶斯(10]调查FML钢筋的弯曲性能和泡沫铝芯夹层板。试验结果表明,纤维金属层压制品的使用材料可以改善皮肤的影响行为,伤害抵抗,三明治结构的破坏公差。三明治组件的同时,能量吸收特性进行了研究,提出了能量平衡模型是根据实验结果良好。Ortiz de Mendibil et al。11]研究了玻璃纤维增强环氧树脂的影响行为/铝纤维金属层压板。纤维金属层压制品被液体成型制造。测试结果显示,孔分布的影响区没有影响的损伤机制。件的失效模式是金属为主。第一个分层出现金属和复合层之间在20 J,第一个裂纹出现在铝层40 J,然后纤维断裂开始42 J。雷耶斯维拉纽瓦和坎特维尔12)研究了高响应速度影响的一系列小说与FML皮泡沫铝三明治结构。测试结果显示,三明治结构与FML面临一个优秀的能量吸收特性,当受到动载荷。进一步研究玻璃纤维增强聚丙烯的力学行为——由雷耶斯,坎特维尔[13]。他们指出,最初用完了界面断裂韧性的增加与十字头位移率高达100毫米/分钟再减少位移率更高。与此同时,单悬臂梁和低速冲击试验进行了测试。测试结果表明,这些材料提供出色的抗动态加载和入射能量吸收通过塑性变形铝层和复合层内局部微裂缝。Srinivasagupta et al。14)指出,界面粘结性能有很大的影响与泡沫芯夹层材料的可靠性。在压缩、张力和弯曲测试,失败是通过接口发起的。在这篇文章中,加工条件和材料特性的影响在三明治结构的界面强度进行了研究。测试结果表明,脱胶泡沫芯夹层复合材料的断裂韧性随温度的增加增加。合规导数方法提出了评价模式我断裂韧性或临界断裂能量率(15]。Vadakke和Carlsson16]研究了界面粘结facesheets和泡沫核心之间的行为。他们得出的结论是,泡沫核心的密度界面结合强度有很大的影响。与此同时,界面结合强度增加泡沫的密度的增加核心。

在本文中,一种新型的泡沫夹层结构(tooth-plate-glass-fiber混合泡沫夹层梁,TFS)。齿板连接与泡沫芯通过牙齿的指甲,这是不同于facesheets,金属板和玻璃纤维增强复合材料结合在一起。三点弯曲试验和DCB(双悬臂梁)进行测试得到的荷载位移曲线,失效模式,弯曲特性,和层间行为的三明治结构。与此同时,提出了一个分析模型预测TFS的峰值负载。

2。实验程序

2.1。标本

使用真空辅助树脂灌注标本制作过程在复合结构实验室南京理工大学。标本中的材料与各种密度聚氨酯泡沫(35公斤/米³,80公斤/米³,150公斤/米³)、Q235钢、镀锌金属牙钉由冲床,e玻璃纤维织物无碱密度为800 g / m²,hs - 2100型两个甲酸不饱和聚酯树脂。齿板的厚度是0.7毫米,齿8毫米的长度,宽3毫米,每一对齿沿纵向间距25毫米,12毫米水平间距,交叉等距排列。起初,金属板的表面改性和有机溶剂(如丙酮)去除表面的油脂。钢牙板被压到聚氨酯泡沫,然后牙板的上下表面满是两层玻璃纤维织物和纤维取向的天使是0/90°水平轴的面板。最后,真空辅助树脂灌注工艺用于制作标本,所有的原材料被树脂浸。真正的组件如图1。类似三明治梁纤维facesheet厚度1.5毫米和2.1毫米与助教标本制作的。

2.2。材料特性

进行了张力测试钢铁facesheets和GFRP facesheets根据ASTM D 3039 (17)来描述材料的力学性能。钢板的强度和刚度和GFRP表从这些实验获得详细的表1。齿板的抗拉强度和弹性模量等效强度和弹性模量,定期安排有洞的牙板。为了获得泡沫的抗压强度和杨氏模量的标本,聚氨酯(PU)泡沫标本50的尺寸5050毫米³准备和测试根据ASTM D 1621 (18]。泡沫样本测试位移控制模式加载速率为0.5毫米/分钟。聚氨酯泡沫材料的力学行为是在桌子上2。实现更精确的数值结果,每个维度的三个样品已经测试和数据的平均值作为最终计算结果。

2.3。三点弯曲试验

为了评估TFS梁的弯曲行为,进行了三点弯曲测试根据ASTM C 393 - 62 (19]。对于每个跨度,有三个标本。在图2,所有标本有相同的宽度(b= 75毫米)和核心的高度(h= 40毫米)。标本NS3D1、NS3D2 NS3D3与GFRP facesheets普通三明治梁。其他的标本被牙板加强各种密度(ρ)和时间(年代)。标本被显示在表的细节3。T在标本的名字是三明治的象征与齿盘facesheets梁。梁跨度的300毫米,400毫米和500毫米,分别提出了S3、S4, S5和泡沫密度35公斤/米³,80公斤/米³,150公斤/米³提出了D1、D2、D3。所有的标本都加载位移控制模式加载速率为2.0毫米/分钟,此数据记录由一个通用测试机200 kN的能力。

2.4。双悬臂梁试验

为了研究TFS梁的界面断裂行为,双悬臂梁试验进行按照ASTM 5528 - 0120.]。在这项研究中,标本具有不同核心密度(35公斤/米³,80公斤/米³,150公斤/米³使用真空辅助树脂灌注工艺)是捏造。在图3之间,一个初始界面裂纹了facesheet上部和泡沫的核心。标本和初始裂纹的长度是254毫米和50毫米,厚度的泡沫芯和facesheet 40毫米和2.2毫米。金属铰链是facesheets的两边粘。加载单元和一个钢块保税上facesheet由不锈钢杆连接。为了监测裂纹扩展的长度,标本边缘被涂上一层薄薄的水溶性修正液从初始裂纹。位移控制模式下的标本进行测试加载速率为2.0毫米/分钟。在测试期间,此电脑记录的数据,而裂纹长度记录的高分辨率数码相机。此外,它应该是在这种背景下,没有提到任何分离玻璃钢和齿板在所有的测试。

3所示。结果和讨论

3.1。三明治结构的弯曲特征

所有样本的测试结果在三点弯曲加载条件下,包括峰值强度(P_u和被吸收的能量E_一个),综述了在表4。此数据记录在测试是绘制在图4。图4(一)显示齿板的影响P_u三明治梁。与NS3D1 (P_u= 234 N), NS3D2 (P_u= 490 N), NS3D3 (P_u= 916 N),标本TS3D1的高峰负荷,TS3D2,和TS3D3增长了168%,211%,和258%,分别。这是由于牙板可以显著增加facesheets的刚度。因此,齿板的使用可以显著增加夹层梁的峰值强度。图4(一)还显示泡沫密度的影响P_uTFS的光束。标本的300毫米,P_uTS3D2和TS3D3 1524 N和3280 N,大于143%和423%P_u分别为标本TS3D1。这主要是由于较高的泡沫密度更高的力量。高密度的泡沫可以提供一个良好的应用负载电阻。此外,由于金属牙被嵌入到核心的泡沫,舒解失败仍然无法目睹,核心密度较高的泡沫增强层流属性之间的齿面和泡沫的核心。

泡沫密度的影响能量吸收的TFS梁如图5。标本的300毫米,E_一个标本TS3D2和TS3D3 23.28 J和32.40,这是更大的标本TS3D1比18.1%和64.3%。标本的400毫米,E_一个标本TS4D2和TS4D3 21.2 J和25.04,这是更大的标本TS4D1比53.6%和81.7%。标本的500毫米,E_一个标本TS5D2和TS5D3 17.86 J和21.95,这是更大的标本TS3D1比45.8%和79.1%。因此,TFS光束的能量吸收能力可以改善通过增加泡沫密度。

根据荷载位移曲线,所有标本展出一个初始线弹性响应峰值负载附近随后的非线性部分。泡沫密度的增加导致了增加等效抗弯刚度和线弹性的斜率。力水平峰值负载显示一些差异TFS与纤维复合夹层梁的面孔。TFS标本的荷载位移曲线表现出平稳下降后最大的力量值。然而,突然负载降低观察在正常夹层梁在峰值之后,伴随着泡沫膨胀的细胞壁和失败边缘。因此,可以得出结论,TFS梁有一个良好的完整性在高原地区和好的抵抗横向负载。两个主要失效模式中观察弯曲测试:核心剪切和facesheet缩进。对泡沫密度TFS标本35公斤/米³和80公斤/米³,主要的失效模式是facesheet缩进加载辊下方,如图所示6(一)。TFS标本的400毫米和500毫米,泡沫密度150公斤/米³失效模式是核心剪切。之间的泡沫核心发生剪切上加载硬度计压头和下支持。剪切裂缝的方向是水平约45°的天使,在图所示6 (b)。TFS 300毫米标本跨度的失效模式是facesheet缩进。

3.2。机械的双悬臂测试失败

如图7,DCB试样的失效主要是通过接口。从测试获得典型的荷载位移曲线如图8。它可以发现,初始加载曲线表现出一个线弹性响应和裂纹扩展是稳定的。在峰值负载后,曲线显示出锯齿状和裂纹扩展的增长不稳定。

计算的能量释放率实验合规标定方法。合规管理(C)是在试验载荷和位移的比值,可以确定使用以下方程: 在哪里P是负载和δ加载点位移。

标本合规与裂纹长度的关系可以表示为(21] 在哪里一个裂纹长度和吗C₀和米实验确定常数测量的线性适合双对数图C与一个。的价值米的斜率是合规数据。

应变能释放率的方式我可以计算界面断裂Irwin-Kies方程(22]: 导致 在这b试样的宽度。

一个典型的双对数图TFS标本的合规与裂纹长度如图9。从图,山坡上是2.174,2.012和2.869的泡沫密度35公斤/ m³,80公斤/米³,150公斤/米³。带来不变米在方程(4)可以获得该系统的实验应变释放速率。图10显示一个典型的应变能量率与裂纹长度在1毫米/分钟DCB试样加载。发现的峰值应变能释放率增加了泡沫密度的增加。相比之下,泡沫密度35 kgm的标本³的峰值应变能释放率增加了100%和600%,分别。得出的密度泡沫核心有一个伟大的影响应变能释放率在图的价值10。

4所示。分析模型

分析模型被用来预测TFS的峰值荷载梁在三点弯曲试验,包括失效模式的泡沫核心剪切和facesheet缩进(见图11)。

4.1。核心剪切

剪切破坏发生在横向剪应力超过核心剪切强度。崩溃力学可以定义在方程(5)。它被假定facesheets右边的夹层板通过旋转一个角度θ而通过−左边旋转θ。因此,泡沫核心由一个角剪2θ。它被认为底部facesheet受到拉伸断裂时泡沫核心剪切破坏。

外部应用完成的工作负载可以由以下公式计算:

内部工作吸收泡沫核心和facesheet可以由以下方程计算(23]: 在这τ_c是核心的抗剪强度,bTFS光束的宽度,是初始弯矩脆性断裂的混合facesheet,可以由以下公式计算: 在这t_f和t_年代分别facesheet和齿板的厚度,然后呢σ_财政年度和σ_syGFRP的抗拉强度是皮肤和齿板。将外部应用力所做的功P内部工作,峰值负荷由于核心复合夹层梁的剪切破坏可以通过以下方程:

4.2。缩进

在三点弯曲,应用横向荷载引起的弯矩P是米=Pl/ 4,压上facesheet的轴向力F=米/ (c+t_f)和低facesheet经历的张力大小相等。缩进故障如果泡沫核心由mid-roller压缩缩进2区λrigid-ideally塑料的方式。三明治脸上的横向负载泡沫核心问=σ_cb,在那里σ_c的抗压强度rigid-ideally塑料核心和bTFS梁的宽度,如图11。缩进失败被Steeves和斑点分析(7基于一个可塑性变形的基础模型。缩进破坏载荷可以由以下公式计算: 在哪里c厚度的泡沫芯和吗是混合facesheet的等效弹性模量,可以由以下公式计算: 在哪里E_f和E_年代GFRP和齿板的弹性模量,分别。

TFS的预测峰值负载梁在三点弯曲载荷条件下提出了表5。通过对比分析和实验结果,发现最大的差异在高峰负荷预测和实验结果是23.4%。通常,TFS的峰值负载可以预测的分析模型。缩进的失效模式,模式的差异大于核心剪切,可能由于facesheets的特殊结构。方程(9)不考虑齿板的孔,是包围facesheet树脂和纤维。

5。结论

在这项研究中,三点弯曲测试和双悬臂测试一直在进行一个新的家庭的三明治梁fiber-metal混合facesheets。泡沫核心密度和跨度长度参数选择三明治结构的弯曲行为进行调查。从测试中,可以通过上述研究获得以下结论:(1)为常见的复合夹层结构,有许多类型的失效模式,像缩进,核心剪切,facesheet脱胶,扭结弯曲载荷下的。因为牙板的插入,就缩进模式和核心剪切模式发生了,虽然一些初始界面失败被避免,这表明钢板的牙可以有效提高层间的行为。(2)泡沫和泡沫密度的增加,剪切强度和抗压强度提高。齿板的标本有轻微影响剪切行为,虽然可以改善的地方缩进facesheet更高的刚度比玻璃钢。核心材料能更有效地支持facesheets,它镇压当地压缩装载点,这是极限抗弯能力提高的主要因素。(3)层间的行为被DCB试验进一步研究。在测试,没有损害牙板,当泡沫破裂成内部核心的一部分,与附近的界面损伤常见的玻璃钢夹层梁。泡沫显然低于钢牙板,所以损失发生在泡沫。仍有潜在的改善通过增加核心材料特性。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金的关键项目(批准号51238003)和江苏省重点大学科学研究项目(批准号15 kja560001)。

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