桨——开放获取奖励机制
DOI: 10.2240 / azojomo0207

低泡沫芯夹层结构的反应速度的影响

Hazizan。议长和j•坎特维尔

版权AD-TECH;被许可方AZoM.com企业有限公司

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AZojomo (ISSN 1833 - 122 x) 2006年5月2日

主题

文摘

关键字

介绍

实验的程序

能量平衡模型

结果与讨论

利率敏感性皮肤和核心材料欧洲杯足球竞彩

泡沫的破裂

缩进的三明治结构的特征

影响反应的三明治结构

能源分区

三明治结构的失效模式

结论

确认

引用

详细联系方式

文摘

低速冲击响应基于一系列泡沫夹层结构的调查使用仪器的落锤冲击塔。最初,率敏感性皮肤和核心材料是通过一系列的挠曲和压痕测试调查。欧洲杯足球竞彩结果表明,弯曲模量的皮肤和所有11个泡沫材料没有表现出任何对十字头位移速率条件研究。欧洲杯足球竞彩此外,结果表明,缩进三明治结构的响应可以使用一个简单的模拟压痕法,没有表现出任何的参数敏感性加载速率。低速度影响测试的三明治结构导致不同的失效模式。剪切破坏被发现出现在PVC / PUR系统基于脆弱的核心材料。欧洲杯足球竞彩相比之下,屈曲失败的复合皮肤中间模系统的观察,而初始损伤模量越高PVC / PUR系统采取分层的形式在顶部表面的皮肤。它已经表明,一个简单的能量平衡模型中基于能量耗散的影响事件可以用来成功模型基于泡沫夹层结构的弹性响应。能量平衡模型特别有用,因为它可以用来建立在冲击过程中能量的分区。

Keywords

机械性能、泡沫、附着力、冲击响应,三明治结构

介绍

基于强大的三明治结构,硬复合皮连着一个低密度芯材料发现越来越多地使用在航空航天、海洋和海洋产业。这些高性能结构的主要缺点之一是他们相对贫穷的局部阻力影响加载[1 - 4]。许多工人调查三明治结构响应的影响,一个优秀的回顾文献[2]中给出。

霍里根等。[1]进行了实验和理论研究在诺梅克斯蜂窝夹层结构的玻璃纤维增强环氧树脂的皮肤。他们表明,软,兼容弹导致浅破碎的核心而硬的身体创造更深的伤害,符合抛射体的形状。查尔斯和GuedraDegeorges[5]表明,周围的凹痕深度影响与冲击能量增加,直到达到最大值。罗兹[6]进行了一系列影响测试系统和显示,提高核心材料的压碎强度可以增加夹层结构的抗冲击性。

Mahfuz等。[7]通过厚度分离式霍普金森压杆试验一系列三明治结构为了描述这些结构和调查的strain-rate-sensitivity核心属性产生的失效模式的影响。他们表明strain-rate-sensitivity三明治复合材料与核心材料的密度增加。他们还表明,大量的吸收冲击能量的核心材料,有小皮芯界面脱胶的证据。

肯尼和老爹[8]开发和测试一种新型波纹夹层板,表明这种结构提供了一个优越的吸能能力,表现出传统三明治结构。许多工人调查三明治结构的穿孔阻力[9 - 11]。矿山等。[9]进行广场板低速冲击测试基于聚合物复合夹层结构基于Coremat(适当材料制成的无纺布聚酯感到含有50% resinimpregnated玻璃微球)和铝蜂窝芯。作者表明,大部分的入射能量的吸收弹丸破碎的核心材料在局部地区直接的影响。矿山等。[9]也进行了一系列的准静态穿孔的穿孔阻力测试,发现这些结构与应变率增加,影响归因于变化的几何变形区和速度影响的复合皮。低速冲击测试后的泡沫芯和木芯三明治结构,坎特维尔等。[11]的结论是,皮肤剪切是主要在局部的影响条件下能量吸收器。

许多工人试图模型三明治结构的动态响应(2、12、13)。Abrate[2]提出了检测模型的入射能量弹等同于能源存储在目标在弯曲和剪切变形和能量用于创建局部变形的接触区。Ambur和克鲁斯[12]使用一阶剪切变形理论模型组合板的低速冲击响应。太阳和吴[13]shear-deformable板使用有限元素模型的复合皮肤加载三明治结构产生影响。

本工作的目的是开发和应用检测模型相似了Abrate[2]为了预测不会三明治结构响应的影响。模型的准确性已经调查了不同入射能量的撞击器下降以及泡沫核心的属性。

实验的程序

十一个三明治结构进行评估这一研究过程中。复合皮是基于一个编织玻璃纤维酚醛树脂(从Stesalit PN90044-43有限公司、瑞士)。个人半固化片层尺寸的200 mm x 190 mm被切成模具的形状用锋利的刀片。层被包装在聚乙烯薄膜和放置在一个镜框模具。复合固化在热压机在125°C下120分钟0.7酒吧屈服压力板近似1毫米厚度。生产后,使用紧咬纸层压板是粗糙的一面为了提高附着力泡沫的核心材料。欧洲杯足球竞彩皮肤然后用乙醇清洗和清洗,消除任何尘埃喷砂过程中生成的。

11个不同的泡沫中提供10毫米厚表1500 mm x 1000 mm的维度。泡沫在三个主要的成绩提供这些线性聚氯乙烯(PVC)泡沫,polyetherimide (PEI)泡沫和PVC / PUR泡沫。细节的泡沫的关键属性表1中给出。数据清楚地表明,这些泡沫的拉伸和剪切模强烈依赖于密度。泡沫的拉伸模量随28 MPa 40 k g / m3PVC / PUR系统为200 kg / m3 178 MPa PVC / PUR泡沫。类似的变化是明显的剪切模量(G),这是不同的从11到75 MPa。泡沫板被削减的维度组合面表使用带锯和压缩空气供应被用来除去灰尘在切割过程中生成的。复合皮连着聚合物泡沫芯使用环氧树脂LY5082环氧树脂与环氧树脂AY103硬化剂。胶粘剂应用于皮肤和核心材料和由此产生的结构是放置在一个冷压12 h。欧洲杯足球竞彩治愈的三明治板被切成优惠券尺寸190毫米X 20毫米为测试做准备。

表1。摘要泡沫材料的属性和特征。欧洲杯足球竞彩

结构

泡沫

名义密度(公斤/米3)

拉伸模量(MPa)

剪切模量(MPa)

1

线性聚氯乙烯

50

37

11

2

线性聚氯乙烯

80年

56

21

3

线性聚氯乙烯

140年

90年

37

4

60

37

14

5

80年

52

22

6

PVC / PUR

40

28

13

7

PVC / PUR

55

45

22

8

PVC / PUR

75年

63年

30.

9

PVC / PUR

90年

81年

38

10

PVC / PUR

130年

109年

50

11

PVC / PUR

200年

178年

75年

影响测试使用一种仪器进行落锤冲击塔。在这里,一个1.98公斤运费10毫米直径hemi-spherical订货商被释放的高度1.0米。影响塔的垂直指导润滑减少任何摩擦生成的在马车的后裔。事件影响范围0.1 - -1.94 J的能量通过不同高度下降。标本支持两个10毫米直径钢气瓶放置在可移动的直角支持,如图1所示。影响后,马车被手动为了避免次生影响。冲击力的历史在测试期间使用压电测压元件测量5011)(基斯特勒公司位于撞击器上方的提示。测压元件的信号被美联储应变放大器和由计算机记录。

图1所示。冲击试验装置的示意图。

impact-loaded三明治结构可能会吸收大量能量在当地接触变形的影响。在这项研究中,一系列的压痕测试是由英斯特朗4505机械测试机器使用十字头位移率为0.2,1、10、100毫米/分钟。缩进测试进行了夹层梁尺寸为200 x 20 x 12毫米3定位在一个坚固的钢支架。接触位移测量采用一个延伸仪连接到10毫米直径半球形压痕器和夹层结构的上表面三明治标本被加载到一个类似规模的力量,在冲击试验记录。应用负载P在压痕试验和由此产生的压痕,α,假定服从普遍的缩进的形式

P=Cαn

在C和n是常数。load-indentation数据应用于这种关系产生n和C的值为每个十字头位移速率。

11率敏感性的泡沫材料研究进行三点弯曲测试样品尺寸为200 X 20毫米欧洲杯足球竞彩2这是相同的配置,影响测试期间使用的三明治结构。梁是支持10毫米直径圆柱形辊间距175毫米如图2所示(一个)。泡沫光束被集中在十字头位移加载率的10,100和1000毫米/分钟和弯曲模量,英孚,决心作为中央挠度函数,δ试样宽度,b,支持跨,L,和梁厚度、t)使用

图2。原理图图纸显示(a)三个点测试设置和(b) SENB标本。

最后,泡沫的断裂性能进行了使用单一切口边缘弯曲(SENB)示例如图2所示(b)。梁尺寸120 * 25 x 10毫米3使用手锯削减从面板。在中跨长12毫米pre-crack介绍如图所示,通过一个新的刀片磨以及切口的根源。标本被放置在10毫米辊间距100毫米,十字头位移加载10毫米/分钟。SENB测试后,荷载位移曲线中损耗的能量集成给骨折。这些值被恢复到正常水平裂缝产生的结果区域断裂为每个系统的工作。

能量平衡模型

三明治结构响应的影响是模仿使用检测模型。这里,假设目标响应quasi-statically期间影响事件和目标的动能吸收在弯曲、剪切和接触变形,这样的影响

(1)

下标b, s和c指能量耗散在弯曲、剪切和联系的影响,分别。力-位移关系,P -δ,对于一个沙湿草地光束作为裁判。[14]

(2)

哪里的剪切模量G是泡沫核心,L是跨度,D是皮肤的抗弯刚度和几何参数,取决于核心和皮肤材料的厚度和波束宽度[14]。欧洲杯足球竞彩第一项括号占皮的弯曲和剪切效应的第二个任期的核心。

在弯曲和剪切效应的能量吸收最大位移,δ马克斯,根据最大洪水,Pmax等于

(3)

联系效应是模仿使用梅尔接触法律与压痕,α应用负载,P

(4)

在C和n是常数测定实验研究。

吸收的能量接触效果显示

(5)

三明治结构的检测功能

(6)

一旦皮肤的属性和核心材料已经确定,这个方程可以用来预测的最大冲击力,Pmax,对于欧洲杯足球竞彩一个给定的冲击能量。在这项研究中,使用电子表格的右边冲击力Eq。(6)增加直到方程两边相等。

结果与讨论

利率敏感性皮肤和核心材料欧洲杯足球竞彩

之前进行测试夹层梁的影响,复合率敏感性的皮肤和泡沫芯是由简单的射线进行弯曲测试样品评估。显然,这种几何不理想调查率自应变率影响不同样本的长度。然而,三个点测试简单进行(特别是在泡沫材料)和采用的测试配置类似于三明治结构的低速冲击测试。欧洲杯足球竞彩复合材料的弯曲模量的变化皮肤与十字头位移率如图3所示。很明显,玻璃纤维增强皮肤的弯曲模量不随加载速率与Ef的价值平均约29 GPa十字头位移率。类似的观察了其他测试后玻璃纤维增强复合材料[15]。这些结果表明,弯曲模量的静态值可用于检测模型来预测一个三明治结构响应的影响。

图3。复合皮的弯曲模量的变化与十字头位移速率。

四个泡沫材料的率敏感性如图4所示。欧洲杯足球竞彩清晰的标准偏差已被移除。考试的数据表明这四个系统表现出rate-insensitive响应与弯曲模量保持恒定加载的三十年。

图4。四个泡沫系统的弯曲的弹性模量的变化与十字头位移速率。

挠曲测试剩下的七个泡沫系统产生了类似的趋势明显在图4中所有系统的弯曲模量保持恒定条件考虑的范围。比较图4和表1中的数据表明,200公斤/米的弯曲模量3PVC / PUR系统在其拉伸模量高于20%。这样做的原因是不清楚虽然有些变化的测量和引用值密度观察。图5显示了泡沫材料的弯曲模量的变化与实际(测量)密度在十字头位移1毫米/分钟。有趣的是,所有的数据似乎谎言大致在一行不管材料类型。这表明,泡沫密度,P, detennines这些泡沫,泡沫式的弯曲模量只有一个二级影响力学性能。应用线性曲线拟合的数据在图5中,收益率的关系形式

Ef 0.96 =ρ- 24.3 (MPa)

图5。高分子泡沫材料的弯曲模量的变化与密度十字头位移1毫米/分钟。

工作破裂的泡沫

SENB测试进行了描述11材料的韧性特征。欧洲杯足球竞彩观察到所有的线性PVC和裴样品失败在一个稳定的模式断裂的裂纹传播速度控制通过泡沫样品。相比之下,所有的PVC / PUR样品失败在一个不稳定的模式产生的载荷位移曲线锯齿状外观。试图分析SENB数据使用一个线性弹性断裂力学方法,未果,由于高水平的非线性观测在此痕迹和困难满足ASTM d5045 - 91中概述的试样尺寸要求。相反,所有的系统的韧性的特点是确定断裂的工作,Wf和图6显示了属性的11个泡沫系统。很明显,有一个显著的泡沫的断裂性质的变异与Wf不同从大约50 J / m2最低的密度聚氯乙烯/ PUR系统- 3750 J / m2对于线性PVC密度为140公斤/米3有趣的是,断裂的工作似乎增加与增加泡沫密度以线性方式。从图,也明显的线性PVC泡沫执行两个其他系统与PVC / PUR混合展示最穷的断裂特性。

图6。总结工作的骨折的11个泡沫材料。欧洲杯足球竞彩

缩进的三明治结构的特征

图7显示了典型load-indentation情节四泡沫系统测试0.2毫米/分钟。显然,载荷的斜率压痕力随泡沫密度的有效梯度曲线为200公斤/米3系统大约四倍的50公斤/立方米线性PVC材料。有趣的是,在最初的缩进阶段load-indentation跟踪三的泡沫相对线性测试政权。相比之下,最低的斜率系统随密度增加缩进显示一些破碎或失败可能发生在测试期间根据订货商。最初的几个地区的非线性load-indentation痕迹是由于合规测试机和轻微的缺乏合适的测试夹具。load-indentation曲线的数据随后被用来确定缩进常数C和n Meyer压痕法。

图7。典型的荷载位移跟踪压痕测试后在0.2毫米/分钟。

表2总结了接触参数C和n十字头位移速率的0.2毫米/分钟。表的检查显示,许多n的值接近统一表明load-indentation痕迹相对大量的线性系统研究了在这个研究。然而,有趣的是,一些密度最低的系统(结构1、4和6)提供的n值明显低于统一。C的值在表2中显示一个强烈依赖于泡沫的类型和它的密度。一般来说,C是高价值的PVC / PUR泡沫,随着泡沫密度趋于增加。

表2。摘要接触泡沫材料的属性。欧洲杯足球竞彩

结构

泡沫

C (N / mn)

n

1

线性聚氯乙烯

5 x104

0.86

2

线性聚氯乙烯

1.3 x105

0.92

3

线性聚氯乙烯

1.8 x105

0.93

4

4.1 x104

0.76

5

1.4 x105

0.91

6

PVC / PUR

3 x105

0.77

7

PVC / PUR

3.1 x105

1.09

8

PVC / PUR

3.4 x105

1.05

9

PVC / PUR

2.5 x105

0.99

10

PVC / PUR

4.3 x105

1.04

11

PVC / PUR

9.4 x105

1.09

图8显示了率敏感性的n的值的四个三明治结构。标准差被忽略了提高清晰的图。从数据,很明显,n的值并没有表现出任何明显的敏感性十字头位移速率。事实上,包括标准差时,很明显,持平的趋势表明该参数是加载速率不敏感。类似的观察是C参数的率敏感性评估时,主要的结论是,缩进响应所有的泡沫一般rate-insensitive在这里测试条件考虑的范围。再一次,这些证据表明,迈耶的statically-determined值常数,C和n可用于检测模型。

图8。摘要率敏感性的接触参数n四个泡沫。

反应的影响三明治结构

图9显示了变化的最大冲击力与冲击能量的两个线性PVC泡沫。50公斤/ m的数据3泡沫显示初始上升力随着冲击能量到达一个高原约170 N。撞击后才一个检查的样本表明,能量高于0.4 J,所有标本失败的结果,一个顶面一直失败的皮肤直接点下的影响。很可能低密度泡沫(模量)没有提供重要支持复合材料在冲击加载条件下的皮肤。正如所料,泡沫密度的增加到140公斤/米3导致增加测量冲击力对于一个给定的入射能量。显然,相对应的曲线140公斤/米3检查系统继续上升的能量范围。最初失败的顶面纤维屈曲发生在大约1.4 J的冲击能量。图9中的实线对应于检测模型提供的预测采用机械性能决定在1毫米/分钟。模型和实验数据之间的协议是非常好的对于高密度系统,即使在能量接近损伤阈值。相比之下,协议模型和实验结果迅速恶化在50公斤/米3系统。这个可怜的相关结果形式与这相关的低损伤阈值能量的结构。

图9。的变化的最大冲击力与冲击能量两个线性PVC泡沫。箭头表示的损伤阈值能量和实线代表检测功能的预测模型。

的最大力量的趋势数据两个裴泡沫,图10中,所观察到的类似的线性PVC泡沫。在这里,60公斤/米3趋于稳定在大约300 N 1 J和以上的(能量)。两个系统失败由于失稳故障前的皮肤。这将在以下部分中进一步讨论。在这里,协议模型和实验数据很擅长能量低于要求启动损伤这些结构。

图10。的变化的最大冲击力与冲击能量两个线性裴泡沫。箭头表示的损伤阈值能量和实线代表检测功能的预测模型。

图11显示了冲击力数据的两个PVC / PUR泡沫系统。的最大冲击力在55公斤/米3系统稳步增加直到大约1.4 J大型剪切裂纹传播通过核心材料的厚度。更高的能量也导致了类似的事件影响模式失败的最大冲击力大约300 N。相比之下,冲击力测量在200公斤/米3PVC / PUR三明治结构范围的能量被认为是持续上升。图中的实线再次表明,一个简单的检测模型能够预测给定入射能量的最大冲击力。

图11。最大冲击力与冲击能量的变化为两个线性PVC / PUR泡沫。箭头表示的损伤阈值能量和实线代表检测功能的预测模型。

图12显示了最大冲击力记录在所有11个泡沫后0.4 J的函数剪切模量的影响,G,泡沫的核心。图中的数据表明,最大力量往往会增加越来越倾向于高值前剪切模量g .的确,最高的三个系统的最大影响密度最高(和剪切模量)是大致相当的。包括在图的检测预测P与G的变化假设C和n的值为3.1×105 n / mn和1.09,分别。很明显,数据似乎松散的影响遵循这一趋势预测的影响模型。

图12。最大冲击力的变化与剪切模量在0.4 J的影响。包括在图的预测假设C和n的值是3.1 x 105 n / mn和1.09,分别。

能源分区

为了更好地理解事件的影响,检测模型用于分区三明治结构的能量。分数的能量消散在弯曲、剪切和联系Eq。(6)确定能量的影响。图13(一个)显示相对应的能量吸收概要PVC / PUR泡沫的名义密度55公斤/立方米。大约50%的事件冲击能量吸收在低密度芯剪切的影响。注意,只有16%的马车的冲击能量吸收夹层梁在弯曲的事件的影响。同样清楚的是,能量吸收概要文件相对平坦的能量范围的影响,表明事件冲击能量的分布不随条件的影响。相比之下,接触效果代表了主要吸能过程密度越高,200公斤/立方米PVC / PUR系统,图13 (b)。顶面压痕影响占45 - 50%的能量弹的影响而剪切效应仅代表21 - 25%的入射能量。也获得了类似的能量耗散的概要文件的所有泡沫系统调查在这项研究中,这些信息被用来调查不同泡沫密度的影响能量吸收的概要文件。图14显示了六个能量耗散概要PVC / PUR泡沫受到的冲击能量0.4 J。数据被绘制为测量密度的函数而不是制造商的数据。很明显,有一些分散的数据,这种效果是由于小皮厚度的变化和缩进常数的变化。能量耗散的图清晰地显示核心剪切迅速减少泡沫密度增加。在弯曲损耗的能量随着泡沫密度的增加稳步增加。接触的证据也表明,能量耗散的影响还与增加泡沫密度略有增加。

图13。预测的分解吸收的能量在PVC / PUR泡沫的密度:(a) 55公斤/米3(b): 200公斤/米3

图14。能量耗散概要文件与不同的泡沫密度。下标c, b和s指接触、弯曲和剪切。

三明治结构的失效模式

影响后,样品的失效模式是使用一个低功率光学显微镜阐明。表3总结了主要失效模式样本中弹射能量略高于损伤阈值的影响。从表中,很明显,三种模式的失败观察11三明治结构。最初的失败在所有三个三明治结构基于线性PVC泡沫带屈曲失效的形式至上的皮肤的三明治结构。类似的故障模式中观察到两个PEI-based三明治结构,材料4和5。欧洲杯足球竞彩初始故障结构6和7,即那些基于密度最低的PVC / PUR泡沫,造成剪切开裂通过深度的核心材料。这并不奇怪,因为这两个泡沫核心提供的最低价值的断裂(55和130 J / m240 - 55公斤/米3核心材料,欧洲杯足球竞彩分别)。失败的高密度聚氯乙烯/ PUR系统发生分层的结果在前表面皮肤立即的影响。

表3的趋势表明,这些三明治结构的失败是由核心材料的断裂性质和程度的支持核心提供复合皮肤(即其弹性模量)。如果核心是非常脆弱的,最初的失败很可能采取的形式通过泡沫的厚度剪切开裂。如果泡沫是足够高的韧性剪切裂缝可以得到抑制,最初的失败发生的屈曲前的皮肤。在这种情况下,泡沫相对较低的弹性模量对屈曲和皮肤收到很少的支持。对高密度泡沫表现出更高的弹性模量,弯曲故障的皮肤是不太可能发生和失败,分层的形式在皮肤上表面时,发生在撞击器由于较高的影响力量。

表3。总结失效模式的三明治结构。

结构

泡沫

失效模式

1

线性聚氯乙烯

屈曲失败在皮肤上

2

线性聚氯乙烯

屈曲失败在皮肤上

3

线性聚氯乙烯

屈曲失败在皮肤上

4

屈曲失败在皮肤上

5

屈曲失败在皮肤上

6

PVC / PUR

剪切裂缝的核心

7

PVC / PUR

剪切裂缝的核心

8

PVC / PUR

屈曲失败在皮肤上

9

PVC / PUR

屈曲失败在皮肤上

10

PVC / PUR

分层在皮肤上

11

PVC / PUR

分层在皮肤上

结论

11个三明治结构的低速冲击响应基于低密度聚合物泡沫材料进行了研究。初始测试描述皮肤和核心材料的机械性能表明,所有的系统的弹性模量对十字头位移速率范围的测试条件在本研究调查。欧洲杯足球竞彩随后的压痕测试三明治结构表明,11日的load-indentation响应这些系统可以使用梅尔缩进法律特征。

低速度影响测试的三明治结构表明,这些系统的动态响应取决于泡沫的核心材料的弹性性质。对于给定的冲击能量,最大冲击力,Pmax,剪切模量增加而增加,g .后续影响样品的光学检查高亮显示三位著名模式的失败。低密度的初始伤害PVC / PUR三明治结构在脆性剪切破裂的形式泡沫核心。失败在中间模数系统由于纤维屈曲发生密切的影响。最后,失败在三明治结构模量高的核心了分层的形式在皮肤表面。

最后,它已经表明,一个简单的检测模型中基于能量耗散的影响事件可以用来预测三明治结构的低速冲击响应的弹性机制。此外,它已经表明,这些不会三明治结构响应的影响可以成功地模仿使用在准静态力学性能确定利率的压力。

确认

作者承认金融支持马来西亚理科大学。作者也感谢卢卡斯·伯杰博士提供泡沫材料和马库斯先生Erath Stesalit有限公司瑞士提供复合材料。欧洲杯足球竞彩

引用

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详细联系方式

Hazizan。议长

工程材料和矿物资源工欧洲杯足球竞彩程学院校园
马来西亚理科大学

电子邮件:(电子邮件保护)

WJ坎特维尔

材料科学与工程系欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球
利物浦大学

刊登在印刷形式在“技术进步Materialsand材料处理日报》6 [2]276 - 285 (2004)”欧洲杯足球竞彩。

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