閉孔泡沫鋁夾層結構耐撞性研究（六十）

總結與展望

泡沫鋁夾層結構由于質(zhì)量輕、強度和剛度較高、吸能特性較好等特點，在航空航天、船舶、軌道交通和汽車制造等領域有著廣泛的應用。考慮到汽車在服役期間，其結構件主要受到的三種典型工況(即三點彎曲、面內(nèi)壓縮和低速沖擊)的沖擊碰撞，本文主要通過實驗的方法研究了泡沫鋁夾層結構在這三種典型工況下的變形模式、失效機理和耐撞性能。

(1)在準靜態(tài)三點彎曲工況中，主要用實驗的方法研究了不同面板材料及不同尺寸參數(shù)的泡沫鋁夾層結構的失效模式、變形機理以及耐撞性能的比較，同時用數(shù)值模擬的方法比較了鋁合金夾層結構的兩種臨界失效模式的應力分布特點。在彎曲工況下，泡沫鋁夾層結構的臨界失效模式主要有三種，分別為壓痕壓入(IN)、芯層剪切(CS)和界面分離(DB)，試件面板較薄，泡沫芯層較厚的情況下，泡沫鋁夾層結構更容易趨向于壓痕壓入失效(IN)；泡沫密度越高，泡沫芯層厚度較薄，試件更容易趨向于界面分離(DB)；其特定位置的耦合失效模式是臨界失效模式演變的失效模式組合。在三種不同面板厚度的夾層結構中，臨界載荷隨面板厚度的增加呈現(xiàn)正增長趨勢，而吸能和比吸能的變化趨勢需要視面板的材料而定。在同一厚度不同面板材料的夾層結構比較中，耐撞性能最佳者需要視面板的厚度而定。此外，鋁合金夾層結構的臨界載荷、總吸能以及比吸能隨芯層高度的增加而增加，而對其芯層密度而言，只有臨界載荷與芯層密度呈正增長趨勢。最后還發(fā)現(xiàn)，在選擇同等芯層質(zhì)量的夾層結構時，增加鋁合金夾層結構的芯層高度比增大芯層密度更能提高其在彎曲工況下的耐撞性能。

(2)對面內(nèi)壓縮工況而言，用實驗的方法研究了面板材料以及幾何參數(shù)對泡沫鋁夾層結構響應機理、失效模式和耐撞性能的影響。鋁合金夾層結構最初的失效破壞形式以面板屈曲變形并伴隨著膠層失效為主，其載荷-位移曲線基本可以分為三個階段；而纖維增強夾層結構最初的失效破壞形式以面板的脆性斷裂為主，其載荷-位移曲線基本可以分為兩個階段。無論是鋁合金夾層結構還是纖維增強夾層結構，夾層結構面板厚度的增加均能明顯提高其耐撞性能。在三種不同面板材料的泡沫鋁夾層結構中(面板厚度相同)，鋁合金夾層結構有最好的耐撞性能，玻璃纖維夾層結構有最差的耐撞性能。對芯層密度而言，鋁合金夾層結構在低密度芯層到中密度芯層變化時，其耐撞性能明顯提高，而當芯層密度過大時，夾層結構的耐撞性能的改善明顯降低。對芯層高度而言，鋁合金夾層結構在小厚度芯層到中厚度芯層變化時，其耐撞性能明顯提高，而當芯層高度過大時，夾層結構的吸能改善明顯降低，而比吸能反而降低。

(3)在低速沖擊實驗中，主要研究了面板材料以及幾何參數(shù)對泡沫鋁夾層結構響應機理和耐撞性能的影響。鋁合金夾層結構的失效機理可以分為兩類，兩者的相同之處是均因上下面板的斷裂出現(xiàn)峰值載荷下降，差異在于下面板與芯層之間膠層是否出現(xiàn)失效；纖維增強夾層結構失效機理與鋁合金夾層結構不出現(xiàn)膠層失效的那種失效過程類似，區(qū)別之處在于前者的面板以脆性破壞為主，后者以塑性變形破壞為主。對面板厚度而言，泡沫鋁夾層結構的耐沖擊性能隨面板厚度的增加而變強。在不同面板材料的夾層結構比較中(面板厚度相同)，鋁合金夾層結構有最好的耐撞性能，玻璃纖維夾層結構的耐撞性能其次，而碳纖維夾層結構的耐

撞性能在三者幾乎是最差的。對芯層而言，鋁合金夾層結構的耐沖擊性能隨芯層密度的增加而顯著提升，而隨其芯層高度的增加而提升不明顯，因此，在增加相同芯層質(zhì)量的前提下增大夾層結構泡沫芯層的密度比增加泡沫芯層的高度更能改善其耐沖擊性能。

本文主要通過實驗的方法研究了泡沫鋁夾層結構在三點彎曲、面內(nèi)壓縮和低速沖擊三種工況下的力學性能。由于筆者時間與水平有限，所以對泡沫鋁夾層結構的研究只是冰山一角，未能對這方面的工作做出一個系統(tǒng)全面的探究，比如說考慮環(huán)境因素的影響，此外，理論預測和數(shù)值模擬方面的工作鮮有涉及，所以本文還可以從以下幾個方面進一步拓展：

(1)首先，隨著泡沫鋁夾層結構在汽車等交通運輸工具上的廣泛使用，全球各地溫度差的對其結構性能的影響也不容忽視，尤其是對本文涉及的膠粘劑泡沫鋁夾層結構而言，因此探究不同溫度及溫度變化對泡沫鋁夾層結構在各工況中力學響應及耐撞性能的影響是非常有必要的。

(2)其次，可以從理論分析的角度，研究夾層結構在各工況下的結構極限強度以及總吸能的計算公式或經(jīng)驗公式對今后的學科研究或工程應用都很有參考價值。

(3)最后，由于有限元仿真的研究成本低，且可以探究到結構在失效過程中的細節(jié)更加清晰更加具體，因此可以從數(shù)值計算的角度，把泡沫鋁夾層結構中芯層泡沫鋁以及膠層界面的失效考慮在材料本構中，研究結構的失效機理、各部分吸能特性以及材料及尺寸參數(shù)對其耐撞性能的影響。