闭孔泡沫铝夹层结构耐撞性研究（二）

1.2夹层结构力学性能研究现状

正如上文提到，夹层结构由于有着密度小、强度和刚度较高、吸能特性较好等特点，在航空航天、船舶、轨道交通和汽车制造等领域均有着广泛的应用，为了挖掘夹层结构潜在的应用价值，研究人员对夹层结构探索从未止步不前。

最早对夹层结构较为深入系统的研究要追溯到二十世纪六十年代，Allen等人早在1963年就发表了关于夹层结构的分析和设计著作。主要内容涉及有：在普通梁理论的基础上发展夹层梁的弯曲理论，包括夹层结构的刚度、强度、挠度等的详细推导；在欧拉杆及欧拉公式的基础上推导出夹层结构在均匀轴向加载工况下的临界载荷等理论；此外还基于应变能的方法对夹层结构进行理论分析；在对夹层结构的工程实际设计方面，Allen等人也给出了几种指导性的设计方法。由于夹层结构优异的结构性能，在实际工程中作为结构件而得到广泛使用，而在工程实际应用中，夹层结构由于承受的载荷方式不同，其破坏机理和力学行为不尽相同，在此方面，研究人员根据加载速度和受力方式不同，包括静态弯曲、动态冲击和爆炸试验等，对夹层结构的力学响应及失效模式等方面做了详尽的实验研究。

简支梁夹层结构由于其可控因素多、破坏机理相对简单等特点，所以以往有更多的研究人员关注在边界条件没有限制的简支梁工况。McCormack、Kesler、Triantafillou、Petras和Chen等人探究了三、四点弯曲工况下简支梁夹层结构的力学响应，研究中观察到几种典型的失效模式，如面板屈服、面板起皱、芯层剪切、压痕压入等，通过对各初始失效模式的强度理论模型构建相应的失效模式分布图，对实际工程设计有一定的指导作用。而夹层结构作为一种结构构件，在实际工程结构中很少以简支梁的形式存在，通常会对结构梁的两端或者多点限制，达到支撑和固定的作用，因此，一些学者对夹层结构固支条件的力学行为和破坏机理进行研究。Tagarielli等人研究了泡沫铝夹层结构和PVC泡沫夹层结构在简支梁和固支梁条件下的初始失效模式和屈服后变形。Jianxun Zhang等人研究了几何不对称金属面板夹层结构在固支梁条件下的初始塑性变形，并建立了的初始失效模式分布图。随着结构防撞保护应用的不断增多，夹层结构的后屈曲行为和能量吸收受到了广泛的关注；Crupi等人对泡沫和蜂窝夹层结构的屈曲过程进行研究，发现夹层结构在后续屈曲过程中主要出现对称和非对称两种弯曲屈曲模式，并对相应失效模式建立理论模型，用来预测相应失效模式的峰值载荷。此外，Lin Jing等人用实验和仿真的方法探究了不同能量冲击下变梯度芯材夹层固支梁的弯曲变形和耐撞性，文中指出，梯度夹层结构在小初始冲击能量下，主要以整体弯曲变形为主，芯层没有明显裂纹破坏，随着初始冲击能量增大，整体弯曲变形更大并伴随着中间跨度位置芯层拉伸裂纹和支撑端位置的芯层剪切失效，此外文中还指出正负梯度芯夹层结构对弯曲冲击载荷的耐撞性均比非梯度整体式芯夹层结构的耐撞性更差。

此外，夹层结构在汽车应用中所承载的另一种典型载荷为面内压溃，为此研究人员在这方面做了许多的探索。 Mamals等人比较了四种聚合物泡沫夹层结构(PMI泡沫，两种密度的PVC泡沫和聚氨酯泡沫)在面内压缩工况下的压溃特性和吸能特点。王凯伦等人研究了蜂窝芯层高度、密度和面板的刚度对夹层结构面内压缩响应的影响，文中指出，芯层高度对结构的失稳载荷和峰值载荷影响显著，上下面板刚度不对称对失稳载荷影响大而对峰值载荷影响不明显。

Hongshuai Lei等人通过理论、实验和仿真方法研究了PVC泡沫夹层复合材料的面内压缩响应，他们通过采用简单的理论模型来预测各种失效模式的临界失效载荷。Zhi sun等人对用格栅增强蜂窝芯层的夹层结构进行面内压缩的实验和仿真研究，他们发现新夹层结构的比刚度、吸能和临界载荷比组成新夹层结构各部分之和还要高，此外，他们还提出了一种计算组合夹层结构临界屈曲载荷的有限元方法。正如上所述，研究人员对聚合物和蜂窝夹层结构面内压缩的研究已有较为全面的探索，而对金属泡沫夹层结构面内压缩的研究相对涉及较少。

车身覆盖件受到道路上的飞石、空中的冰雹、高空抛物等的意外冲击是汽车在服役过程中时有发生的事情，尽管有时这样的损伤甚至不易察觉，但结构的强度和可靠性可能会受到影响，因此，夹层结构低速冲击下的行为响应越来越受到关注。C.C.Foo提出了一种改进的能量平衡模型，用于预测低速冲击夹层结构的瞬态载荷和挠曲历程，将预测范围从弹性拓展到塑性。Yuan Chen建立了一个解决层间破坏、层间和粘胶剂之间分层并且与材料应变率有关的模型，用来预测蜂窝夹层结构在低速冲击下的损伤机制，该数值模型可以较为准确地描述关键穿孔机理和相关的破坏模式，并能很好地对总吸能以及载荷-位移曲线进行相应的预测。Abdullah Akatay研究了蜂窝夹层结构单次冲击和反复冲击的压缩性能以及对其残余性能的影响。此外对多层芯材夹层结构的研究也层出不穷，Buket Okutan Baba研究了梯度泡沫和夹层结构的曲率对冲击特性的影响，研究表明，曲面夹层结构的耐冲击能量更好。