粘弹性材料夹芯钢夹层板疲劳实验研究

薛启超，邹广平，胡 建

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

（哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001）

0 引言

夹层板结构以其优异的弯曲和轻质性能成为工程中得以广泛应用的新材料。聚氨酯弹性体钢夹层板是两块钢质面板内部夹有聚氨酯弹性体材料。聚氨酯弹性体其力学性能介于橡胶和塑料之间，是一种具有大的力学性能可调范围的粘弹性材料， 钢板夹层聚氨酯弹性体夹层材料钢夹层板现已经应用于船舶甲板的修复和桥梁面板的建造和修复上[1,2]，其优异的减震吸能效果受到人们的广泛关注，绝缘性能、隔热性能、抗疲劳性能也照比常用的梁板组合结构要好，由于弹性体和钢材的粘结力非常强，使得夹层板结构的整体性更好，均化应力的分布并抑制主体钢结构裂纹的扩展。

粘弹性体夹芯材料的疲劳行为体现出一定的特殊性，其加载、裂纹的生成和扩展、断裂等都体现出粘弹性的特征。李玲等[3]对竹木复合材料层合板在疲劳/蠕变交互作用下的断裂损伤进行了研究，发现随着蠕变作用时间的增加，挠度也随之增加；S.C. Sharma[4]等开展了聚氨酯泡沫夹芯，纤维增强复合材料作为面板的夹层板的疲劳实验；Gary K[5]等开展了钢板-弹性体夹层梁的疲劳实验，发现弹性体的力学性能与加载速率相关。

本文采用自制的聚氨酯弹性体夹层板结构，自制的夹层板的面板材料为65Mn，屈服应力为425Mpa。夹芯为硬质聚氨酯弹性体，硬度为邵氏D62。 首先对其面板材料开展了纯弯曲疲劳实验，然后对夹层板进行三点弯曲疲劳实验。

图1 板格单元示意图

1 聚氨酯弹性体夹芯板静力弯曲实验

层间强度是决定夹层板破坏形式和极限载荷的一个控制因素，所以为了研究这两种破坏形式对弯曲和疲劳性能的影响，我们将试件分为两种，一种是对钢板内表面未进行处理，另外一种是对其进行使用高强度胶粘贴在一起。针对两种不同的层间剪切强度的试样，选定跨距，调整支座，跨中安装位移传感器。如图2所示，实验在INSTRON4505试验机开展，其破坏形式为图2右图。

实验结果如图3所示。

在加载曲线上可以看出，曲线都有明显的弹性段、塑性强化阶段和破坏阶段，在塑性强化阶段，夹层板出现载荷下降的毛刺，这说明此时在弹性体和钢板界面之间出现了局部脱粘，提高层间剪切强度是提高夹层板整体力学性能的重要方法。

图2 三点弯曲静力实验

图3 三点弯曲实验曲线

值得注意的是，由于夹芯粘弹性的性质，夹层板的开裂有一定的延时特性，即在弯曲实验结束时，虽有裂纹存在，但并没有明显的开裂现象，放置一段时间（几分钟至几小时）后，夹层结构出现大范围的脱粘。这是因为聚氨酯弹性体具有很大的变形回复范围，在裂纹出现，荷载卸去后，由于上下面板的回复受到约束，使得在裂纹上下表面由受载时的压、剪作用转化为裂纹的拉伸作用，此时由于聚氨酯弹性体的粘弹性作用，裂纹的开裂不明显，随着时间的增加，由于弹性体的松弛作用，使得裂纹持续开裂。

2 疲劳实验

选用同样的两组试件在电液伺服疲劳试验机上开展实验，实验频率1!3Hz，分别在弹性阶段，如图1中的屈服点作为屈曲载荷进行实验，和屈曲阶段进行疲劳加载。塑性阶段的极限载荷定义为以下两个条件之一：

1）静力弯曲实验中的曲线出现下降毛刺，幅度为总载荷的10%，这时说明夹层板内部界面间出现脱粘或内部夹芯发生撕裂。

2）曲线未出现毛刺而总体位移下降距离为跨度的20%。

为了研究夹层钢板的疲劳性能，首先开展了弹性范围内的疲劳实验研究。以图线3中的弹性段的顶端为板的屈服极限，采用施加恒幅载荷的方法来进行实验。实验采用Instron8801高频疲劳试验机上进行，应力比为0.9，与文献[7]类似，荷载水平定义为实验时最大载荷与静力屈服载荷的比值。最大实验载荷为屈服载荷的90%.

图4 三点弯曲疲劳实验加载图

2.1 65Mn材料的纯弯曲疲劳实验

为了检验夹层板结构的疲劳极限，首先对夹层钢板材料进行纯弯曲疲劳实验，实验的开展在疲劳纯弯曲疲劳试验机上。

分别取4个试件，取载荷水平为分别在60%、70%、80%和90%的屈服载荷作用下进行弯曲疲劳实验，测得的S-N曲线如下图所示：

由图拟合获得纯弯曲疲劳的S-N曲线：

2.2 实验频率的确定

粘弹性夹芯的存在，使得疲劳测试发生困难。对于聚氨酯弹性体夹芯钢板，测试频率和测试载荷都会对结构的响应带来影响。

使用图1中的试样在疲劳试验机上开展疲劳实验，其极限值取其屈服极限，分别在最大实验载荷为60%、70%、80%、90%的情况下，以应力比0.9时的载荷进行不同频率下的实验，检验试件的疲劳载荷响应和位移响应。所加载荷如表1所示。

分别对应20Hz、15Hz、10Hz、5Hz和1Hz进行实验，获得其实际内部载荷响应的幅值如图6所示。

图5 Mn材料S-N曲线

表1 三点弯曲实验施加的载荷

图6 不同加载频率对应的疲劳载荷

从图6中可以看出，对于在不同频率下施加了相应的幅值，其由于粘弹性的存在，其弹性响应与结构的频率有关，当循环的开始阶段，载荷逐渐上升时，产生较大的变形，载荷下降时，由于试件存在粘弹性性能，无法马上回到初始位置，所有会产生一定的载荷延迟，当施加高频的循环载荷时，使得自身的载荷响应无法达到最初的设计载荷值。从图中可以看到，随着频率的降低，试件响应载荷值越来越接近外加载荷的设置值，对如图的试件，加载频率小于3Hz才可以获得较为理想的疲劳载荷幅值。

为了检验面板材料的疲劳强度，使其与面板纯弯曲疲劳性能进行比较，需要进行等效计算。考虑到夹层板的受力是单向拉压受力状态，同纯弯曲实验载荷不同，根据文献[6],考虑到荷载类型的差别，引入载荷类型因子CL,定义为其他加载方式下，疲劳强度与旋转弯曲疲劳强度的比值。则公式（1）中的公式可以写成

其中S-1是在其他加载方式下应力比为-1的材料的疲劳极限。对于金属材料在拉压载荷情况下，CL＝0.85，则（2）式可以写成：

这是在应力比为-1时纯弯曲实验获得的s-n曲线，要获得其他荷载水平的S-N曲线，可以通过Goodman曲线来进行换算：

其中sm和 ss分别为平均应力和屈服应力，（4）代入（3）式可得：

式（5）即为在拉压载荷作用下，某一荷载水平的S-N曲线。当已知平均应力和屈服应力时，对应一定的载荷水平，可以近似计算出其疲劳寿命。

2.3 夹层板三点弯曲疲劳实验结果

以2Hz加载频率进行加载，90%屈服载荷为循环最大载荷，应力比取为0.9进行疲劳实验，荷载与位移曲线图如图7所示。

在图中可以看出，在应力比为0.9，以90%屈服载荷为循环最大载荷时，由于粘弹性性质的存在使得曲线具有曲线下降的趋势，在前2万次作用，曲线下降速度较快，之后变化趋缓。在应力为380Mpa时，加载150万次后，材料没有明显的裂纹和变形。

图7 夹层板疲劳载荷与位移曲线

将参数代入（5）式，计算得到面板在未受到夹芯约束的时循环次数为630963次，所以，由于粘弹性体夹芯的存在，使得对面板的约束作用提高了面板的疲劳极限。

3 结论

通过对面板材料的纯弯曲疲劳实验和对粘弹性夹芯板的疲劳实验，发现由于粘弹性夹芯的存在，导致了夹芯板结构的荷载响应与加载频率密切相关，只有在加载频率小于5Hz时才能实现循环载荷加载。同样由于粘弹性体夹芯的存在，使得对面板的约束作用极大地提高了面板的疲劳极限。

[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, 李大纲, 徐平, 等. 疲劳/蠕变交互作用下竹木复合层合板断裂损伤研究, 北京林业大学学报, 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]姚卫星, 等. 结构疲劳寿命分析, 国防工业出版社, 2002.

[7]芦颉, 邹广平, 曹扬, 唱忠良, 刘宝君. 钢质蜂窝夹芯梁高温疲劳试验及寿命预测研究, 哈尔滨工程大学学报.