粘彈性材料夾芯鋼夾層板疲勞實驗研究

薛啟超，鄒廣平，胡 建

XUE Qi-chao, ZOU Guang-ping, HU Jian

（哈爾濱工程大學，哈爾濱 150001）

0 引言

夾層板結構以其優異的彎曲和輕質性能成為工程中得以廣泛應用的新材料。聚氨酯彈性體鋼夾層板是兩塊鋼質面板內部夾有聚氨酯彈性體材料。聚氨酯彈性體其力學性能介于橡膠和塑料之間，是一種具有大的力學性能可調范圍的粘彈性材料， 鋼板夾層聚氨酯彈性體夾層材料鋼夾層板現已經應用于船舶甲板的修復和橋梁面板的建造和修復上[1,2]，其優異的減震吸能效果受到人們的廣泛關注，絕緣性能、隔熱性能、抗疲勞性能也照比常用的梁板組合結構要好，由于彈性體和鋼材的粘結力非常強，使得夾層板結構的整體性更好，均化應力的分布并抑制主體鋼結構裂紋的擴展。

粘彈性體夾芯材料的疲勞行為體現出一定的特殊性，其加載、裂紋的生成和擴展、斷裂等都體現出粘彈性的特征。李玲等[3]對竹木復合材料層合板在疲勞/蠕變交互作用下的斷裂損傷進行了研究，發現隨著蠕變作用時間的增加，撓度也隨之增加；S.C. Sharma[4]等開展了聚氨酯泡沫夾芯，纖維增強復合材料作為面板的夾層板的疲勞實驗；Gary K[5]等開展了鋼板-彈性體夾層梁的疲勞實驗，發現彈性體的力學性能與加載速率相關。

本文采用自制的聚氨酯彈性體夾層板結構，自制的夾層板的面板材料為65Mn，屈服應力為425Mpa。夾芯為硬質聚氨酯彈性體，硬度為邵氏D62。 首先對其面板材料開展了純彎曲疲勞實驗，然后對夾層板進行三點彎曲疲勞實驗。

圖1 板格單元示意圖

1 聚氨酯彈性體夾芯板靜力彎曲實驗

層間強度是決定夾層板破壞形式和極限載荷的一個控制因素，所以為了研究這兩種破壞形式對彎曲和疲勞性能的影響，我們將試件分為兩種，一種是對鋼板內表面未進行處理，另外一種是對其進行使用高強度膠粘貼在一起。針對兩種不同的層間剪切強度的試樣，選定跨距，調整支座，跨中安裝位移傳感器。如圖2所示，實驗在INSTRON4505試驗機開展，其破壞形式為圖2右圖。

實驗結果如圖3所示。

在加載曲線上可以看出，曲線都有明顯的彈性段、塑性強化階段和破壞階段，在塑性強化階段，夾層板出現載荷下降的毛刺，這說明此時在彈性體和鋼板界面之間出現了局部脫粘，提高層間剪切強度是提高夾層板整體力學性能的重要方法。

圖2 三點彎曲靜力實驗

圖3 三點彎曲實驗曲線

值得注意的是，由于夾芯粘彈性的性質，夾層板的開裂有一定的延時特性，即在彎曲實驗結束時，雖有裂紋存在，但并沒有明顯的開裂現象，放置一段時間（幾分鐘至幾小時）后，夾層結構出現大范圍的脫粘。這是因為聚氨酯彈性體具有很大的變形回復范圍，在裂紋出現，荷載卸去后，由于上下面板的回復受到約束，使得在裂紋上下表面由受載時的壓、剪作用轉化為裂紋的拉伸作用，此時由于聚氨酯彈性體的粘彈性作用，裂紋的開裂不明顯，隨著時間的增加，由于彈性體的松弛作用，使得裂紋持續開裂。

2 疲勞實驗

選用同樣的兩組試件在電液伺服疲勞試驗機上開展實驗，實驗頻率1!3Hz，分別在彈性階段，如圖1中的屈服點作為屈曲載荷進行實驗，和屈曲階段進行疲勞加載。塑性階段的極限載荷定義為以下兩個條件之一：

1）靜力彎曲實驗中的曲線出現下降毛刺，幅度為總載荷的10%，這時說明夾層板內部界面間出現脫粘或內部夾芯發生撕裂。

2）曲線未出現毛刺而總體位移下降距離為跨度的20%。

為了研究夾層鋼板的疲勞性能，首先開展了彈性范圍內的疲勞實驗研究。以圖線3中的彈性段的頂端為板的屈服極限，采用施加恒幅載荷的方法來進行實驗。實驗采用Instron8801高頻疲勞試驗機上進行，應力比為0.9，與文獻[7]類似，荷載水平定義為實驗時最大載荷與靜力屈服載荷的比值。最大實驗載荷為屈服載荷的90%.

圖4 三點彎曲疲勞實驗加載圖

2.1 65Mn材料的純彎曲疲勞實驗

為了檢驗夾層板結構的疲勞極限，首先對夾層鋼板材料進行純彎曲疲勞實驗，實驗的開展在疲勞純彎曲疲勞試驗機上。

分別取4個試件，取載荷水平為分別在60%、70%、80%和90%的屈服載荷作用下進行彎曲疲勞實驗，測得的S-N曲線如下圖所示：

由圖擬合獲得純彎曲疲勞的S-N曲線：

2.2 實驗頻率的確定

粘彈性夾芯的存在，使得疲勞測試發生困難。對于聚氨酯彈性體夾芯鋼板，測試頻率和測試載荷都會對結構的響應帶來影響。

使用圖1中的試樣在疲勞試驗機上開展疲勞實驗，其極限值取其屈服極限，分別在最大實驗載荷為60%、70%、80%、90%的情況下，以應力比0.9時的載荷進行不同頻率下的實驗，檢驗試件的疲勞載荷響應和位移響應。所加載荷如表1所示。

分別對應20Hz、15Hz、10Hz、5Hz和1Hz進行實驗，獲得其實際內部載荷響應的幅值如圖6所示。

圖5 Mn材料S-N曲線

表1 三點彎曲實驗施加的載荷

圖6 不同加載頻率對應的疲勞載荷

從圖6中可以看出，對于在不同頻率下施加了相應的幅值，其由于粘彈性的存在，其彈性響應與結構的頻率有關，當循環的開始階段，載荷逐漸上升時，產生較大的變形，載荷下降時，由于試件存在粘彈性性能，無法馬上回到初始位置，所有會產生一定的載荷延遲，當施加高頻的循環載荷時，使得自身的載荷響應無法達到最初的設計載荷值。從圖中可以看到，隨著頻率的降低，試件響應載荷值越來越接近外加載荷的設置值，對如圖的試件，加載頻率小于3Hz才可以獲得較為理想的疲勞載荷幅值。

為了檢驗面板材料的疲勞強度，使其與面板純彎曲疲勞性能進行比較，需要進行等效計算。考慮到夾層板的受力是單向拉壓受力狀態，同純彎曲實驗載荷不同，根據文獻[6],考慮到荷載類型的差別，引入載荷類型因子CL,定義為其他加載方式下，疲勞強度與旋轉彎曲疲勞強度的比值。則公式（1）中的公式可以寫成

其中S-1是在其他加載方式下應力比為-1的材料的疲勞極限。對于金屬材料在拉壓載荷情況下，CL＝0.85，則（2）式可以寫成：

這是在應力比為-1時純彎曲實驗獲得的s-n曲線，要獲得其他荷載水平的S-N曲線，可以通過Goodman曲線來進行換算：

其中sm和 ss分別為平均應力和屈服應力，（4）代入（3）式可得：

式（5）即為在拉壓載荷作用下，某一荷載水平的S-N曲線。當已知平均應力和屈服應力時，對應一定的載荷水平，可以近似計算出其疲勞壽命。

2.3 夾層板三點彎曲疲勞實驗結果

以2Hz加載頻率進行加載，90%屈服載荷為循環最大載荷，應力比取為0.9進行疲勞實驗，荷載與位移曲線圖如圖7所示。

在圖中可以看出，在應力比為0.9，以90%屈服載荷為循環最大載荷時，由于粘彈性性質的存在使得曲線具有曲線下降的趨勢，在前2萬次作用，曲線下降速度較快，之后變化趨緩。在應力為380Mpa時，加載150萬次后，材料沒有明顯的裂紋和變形。

圖7 夾層板疲勞載荷與位移曲線

將參數代入（5）式，計算得到面板在未受到夾芯約束的時循環次數為630963次，所以，由于粘彈性體夾芯的存在，使得對面板的約束作用提高了面板的疲勞極限。

3 結論

通過對面板材料的純彎曲疲勞實驗和對粘彈性夾芯板的疲勞實驗，發現由于粘彈性夾芯的存在，導致了夾芯板結構的荷載響應與加載頻率密切相關，只有在加載頻率小于5Hz時才能實現循環載荷加載。同樣由于粘彈性體夾芯的存在，使得對面板的約束作用極大地提高了面板的疲勞極限。

[1]M. A. Brooking; S. Kennedy(2004). The Performance,Safety and Production Benefits of SPS Structures for Double Hull Tankers. www.ie-sps.com.

[2]Stephen J. Kennedy. An Innovative “No Hot Work”Approach to Hull Repair on In-Service FPSOs Using Sandwich Plate System Overlay. Offshore Technology Conference. (2003).

[3]李玲, 李大綱, 徐平, 等. 疲勞/蠕變交互作用下竹木復合層合板斷裂損傷研究, 北京林業大學學報, 第28卷, 增刊2, 2006 年12 月.

[4]S.C. Sharma, M. Krishna, H.N. Narasimha Murthy, et al.Fatigue Studies of Polyurethane Sandwich Structures.Journal of Materials Engineering and Performance. Volume 13(5) October 2004-637.

[5]Gary K. Lui,Scott D.B. AlexanderFatigue of Steel Plate-Elastomer Composite Beams. Structural Engineering Report No. 274. December, 2007.

[6]姚衛星, 等. 結構疲勞壽命分析, 國防工業出版社, 2002.

[7]蘆頡, 鄒廣平, 曹揚, 唱忠良, 劉寶君. 鋼質蜂窩夾芯梁高溫疲勞試驗及壽命預測研究, 哈爾濱工程大學學報.