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泡沫夹芯复合材料面板压痕响应的实验与数值模拟研究

作者及机构
本研究由保加利亚索菲亚建筑、土木工程与大地测量大学（University of Architecture, Civil Engineering and Geodesy）的V. Rizov与瑞典皇家理工学院（Royal Institute of Technology）的A. Shipsha、D. Zenkert合作完成，发表于期刊《Composite Structures》2005年第69卷（95–102页）。

学术背景

研究领域与动机
泡沫夹芯复合材料（sandwich composite structures）因其高刚度与强度重量比，广泛应用于航空航天、汽车和土木工程领域。然而，此类结构在局部压痕载荷（indentation damage）下易出现承载能力下降的问题，且损伤往往难以从外部直接观测。现有研究虽对泡沫夹芯结构的准静态冲击响应有所探讨，但对残余压痕（residual dent）的数值模拟仍缺乏系统性分析。因此，本研究旨在通过实验与有限元模拟相结合的方法，揭示压痕载荷下泡沫夹芯面板的力学响应机制，并建立能够预测残余应力、应变及压痕深度的数值模型。

理论基础
1. 夹芯结构力学特性：夹芯结构由两层薄而高强的纤维增强复合材料面板（face sheets）和轻质厚泡沫芯材（foam core）组成，面板承担弯曲和面内载荷，芯材传递横向剪切力并维持结构稳定性。
2. 泡沫芯材塑性行为：与致密材料不同，泡沫材料的塑性变形伴随细胞壁坍塌（cell wall collapse），需考虑静水压力影响和局部渐进压溃（localized progressive crushing）机制。

研究流程

1. 实验研究

材料与试样制备
- 芯材：采用Rohacell WF51 PMI闭孔泡沫（密度52 kg/m³，平均孔径0.6 mm），厚度50 mm，视为各向同性材料。
- 面板：玻璃纤维增强复合材料（0°/90°, ±45°）对称铺层，单层厚度2.4 mm，通过真空灌注工艺制成180×250 mm矩形试样。

压痕测试方法
- 设备：Instron万能试验机，位移控制模式（加载速率2 mm/min，卸载速率20 mm/min）。
- 压头：直径25 mm球形钢压头，试样底部固定于钢基板以避免整体弯曲。
- 数据采集：记录载荷-位移曲线，卸载后测量面板损伤区直径，并通过千分表测定残余压痕深度。

2. 数值模拟

有限元模型构建
- 软件与算法：采用ABAQUS 6.3，基于轴对称条件（CAX4单元）建模，考虑几何非线性（*NLGEOM选项）。
- 材料模型：
- 芯材：弹性阶段用*ELASTIC定义（E=85 MPa，ν=0.42）；塑性阶段采用*CRUSHABLE FOAM硬化模型，输入单轴压缩试验的真应力-对数塑性应变曲线（图4）。
- 面板：假设为线弹性准各向同性材料，未引入损伤模型。
- 边界条件：底部完全约束，对称轴限制水平位移，压头设为刚体。

分析步骤
- 加载与卸载：分两步模拟压痕过程，第二步通过载荷归零时的位移确定残余压痕。

主要结果

1. 实验数据与模拟对比

   • 载荷-位移曲线（图2）：初始弹性阶段吻合良好，但大变形时模拟高估刚度（如4.5 kN载荷下模拟压痕4.7 mm，实验值为5.1 mm），差异源于未考虑面板分层损伤。
     
   • 损伤区尺寸（图6）：模拟与实验测量的损伤直径高度一致。
     

2. 塑性区演化（图5）

   • 小变形时塑性区沿径向扩展；大变形时向芯材深处发展，形成致密化区域（densified zone）。
     

3. 残余压痕分析（图9）

   • 模拟结果略高估实验值，可能因未考虑蠕变（creep）效应或面板局部破碎。
     

结论与价值

1. 科学意义

   • 建立了首个能同时模拟加载与卸载过程的有限元模型，为预测夹芯结构压痕后力学行为（如残余强度）提供了基础框架。
     
   • 揭示了WF51泡沫芯材的渐进压溃机制及其对残余压痕的影响。
     

2. 应用价值

   • 模型可扩展至三维分析，用于评估压痕后压缩、剪切等复杂工况下的结构性能退化。
     
   • 为工程实践中夹芯结构的损伤容限设计提供理论依据。
     

研究亮点

1. 创新方法：首次在ABAQUS中整合*CRUSHABLE FOAM硬化模型与几何非线性，精确模拟泡沫芯材的压缩响应。
   
2. 跨学科贡献：结合实验力学与计算仿真，填补了残余压痕数值预测的空白。
   
3. 工程指导性：明确了压痕损伤的局部化特征，提出后续需引入蠕变模型以提高预测精度。
   

其他有价值内容

• 局限性：未考虑面板分层和芯材蠕变效应，未来需通过更精细的实验数据（如压痕周边应变场）优化模型。
  
• 延伸方向：作者建议将该模型扩展至三维分析，并引入多步加载以研究压痕后失效机制。
  

此研究为夹芯结构的损伤评估与优化设计提供了重要工具，其方法论对同类材料的力学行为研究具有借鉴意义。