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閉孔泡沫鋁夾層結構耐撞性研究（二）

1.2夾層結構力學性能研究現狀

正如上文提到，夾層結構由于有著密度小、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均有著廣泛的應用，為了挖掘夾層結構潛在的應用價值，研究人員對夾層結構探索從未止步不前。

最早對夾層結構較為深入系統的研究要追溯到二十世紀六十年代，Allen等人早在1963年就發表了關于夾層結構的分析和設計著作。主要內容涉及有：在普通梁理論的基礎上發展夾層梁的彎曲理論，包括夾層結構的剛度、強度、撓度等的詳細推導；在歐拉桿及歐拉公式的基礎上推導出夾層結構在均勻軸向加載工況下的臨界載荷等理論；此外還基于應變能的方法對夾層結構進行理論分析；在對夾層結構的工程實際設計方面，Allen等人也給出了幾種指導性的設計方法。由于夾層結構優異的結構性能，在實際工程中作為結構件而得到廣泛使用，而在工程實際應用中，夾層結構由于承受的載荷方式不同，其破壞機理和力學行為不盡相同，在此方面，研究人員根據加載速度和受力方式不同，包括靜態彎曲、動態沖擊和爆炸試驗等，對夾層結構的力學響應及失效模式等方面做了詳盡的實驗研究。

簡支梁夾層結構由于其可控因素多、破壞機理相對簡單等特點，所以以往有更多的研究人員關注在邊界條件沒有限制的簡支梁工況。McCormack、Kesler、Triantafillou、Petras和Chen等人探究了三、四點彎曲工況下簡支梁夾層結構的力學響應，研究中觀察到幾種典型的失效模式，如面板屈服、面板起皺、芯層剪切、壓痕壓入等，通過對各初始失效模式的強度理論模型構建相應的失效模式分布圖，對實際工程設計有一定的指導作用。而夾層結構作為一種結構構件，在實際工程結構中很少以簡支梁的形式存在，通常會對結構梁的兩端或者多點限制，達到支撐和固定的作用，因此，一些學者對夾層結構固支條件的力學行為和破壞機理進行研究。Tagarielli等人研究了泡沫鋁夾層結構和PVC泡沫夾層結構在簡支梁和固支梁條件下的初始失效模式和屈服后變形。Jianxun Zhang等人研究了幾何不對稱金屬面板夾層結構在固支梁條件下的初始塑性變形，并建立了的初始失效模式分布圖。隨著結構防撞保護應用的不斷增多，夾層結構的后屈曲行為和能量吸收受到了廣泛的關注；Crupi等人對泡沫和蜂窩夾層結構的屈曲過程進行研究，發現夾層結構在后續屈曲過程中主要出現對稱和非對稱兩種彎曲屈曲模式，并對相應失效模式建立理論模型，用來預測相應失效模式的峰值載荷。此外，Lin Jing等人用實驗和仿真的方法探究了不同能量沖擊下變梯度芯材夾層固支梁的彎曲變形和耐撞性，文中指出，梯度夾層結構在小初始沖擊能量下，主要以整體彎曲變形為主，芯層沒有明顯裂紋破壞，隨著初始沖擊能量增大，整體彎曲變形更大并伴隨著中間跨度位置芯層拉伸裂紋和支撐端位置的芯層剪切失效，此外文中還指出正負梯度芯夾層結構對彎曲沖擊載荷的耐撞性均比非梯度整體式芯夾層結構的耐撞性更差。

此外，夾層結構在汽車應用中所承載的另一種典型載荷為面內壓潰，為此研究人員在這方面做了許多的探索。 Mamals等人比較了四種聚合物泡沫夾層結構(PMI泡沫，兩種密度的PVC泡沫和聚氨酯泡沫)在面內壓縮工況下的壓潰特性和吸能特點。王凱倫等人研究了蜂窩芯層高度、密度和面板的剛度對夾層結構面內壓縮響應的影響，文中指出，芯層高度對結構的失穩載荷和峰值載荷影響顯著，上下面板剛度不對稱對失穩載荷影響大而對峰值載荷影響不明顯。

Hongshuai Lei等人通過理論、實驗和仿真方法研究了PVC泡沫夾層復合材料的面內壓縮響應，他們通過采用簡單的理論模型來預測各種失效模式的臨界失效載荷。Zhi sun等人對用格柵增強蜂窩芯層的夾層結構進行面內壓縮的實驗和仿真研究，他們發現新夾層結構的比剛度、吸能和臨界載荷比組成新夾層結構各部分之和還要高，此外，他們還提出了一種計算組合夾層結構臨界屈曲載荷的有限元方法。正如上所述，研究人員對聚合物和蜂窩夾層結構面內壓縮的研究已有較為全面的探索，而對金屬泡沫夾層結構面內壓縮的研究相對涉及較少。

車身覆蓋件受到道路上的飛石、空中的冰雹、高空拋物等的意外沖擊是汽車在服役過程中時有發生的事情，盡管有時這樣的損傷甚至不易察覺，但結構的強度和可靠性可能會受到影響，因此，夾層結構低速沖擊下的行為響應越來越受到關注。C.C.Foo提出了一種改進的能量平衡模型，用于預測低速沖擊夾層結構的瞬態載荷和撓曲歷程，將預測范圍從彈性拓展到塑性。Yuan Chen建立了一個解決層間破壞、層間和粘膠劑之間分層并且與材料應變率有關的模型，用來預測蜂窩夾層結構在低速沖擊下的損傷機制，該數值模型可以較為準確地描述關鍵穿孔機理和相關的破壞模式，并能很好地對總吸能以及載荷-位移曲線進行相應的預測。Abdullah Akatay研究了蜂窩夾層結構單次沖擊和反復沖擊的壓縮性能以及對其殘余性能的影響。此外對多層芯材夾層結構的研究也層出不窮，Buket Okutan Baba研究了梯度泡沫和夾層結構的曲率對沖擊特性的影響，研究表明，曲面夾層結構的耐沖擊能量更好。