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物理不对称金属夹层梁三点弯曲失效行为与优化设计研究

作者及机构
本研究由西安交通大学航空航天工程学院机械结构强度与振动国家重点实验室的王明石、余雪辉、张建勋和秦庆华*（通讯作者）合作完成，发表于《Composite Structures》期刊2022年第280卷（2022年10月27日在线发表）。

学术背景
夹层结构（sandwich structure）由轻质蜂窝芯材和两侧面板组成，具有轻量化、高比强度等优势，广泛应用于航空航天、船舶、高速列车等领域。传统对称夹层结构的两侧面板材料与几何完全相同，而物理不对称夹层结构（physically asymmetric sandwich structure）的两侧面板采用不同材料或几何参数，可满足多功能需求（如承载与微波吸收结合）。然而，物理不对称夹层结构在弯曲载荷下的失效行为缺乏系统研究，尤其是两侧面板为不同金属材料的情况。本研究旨在通过实验与理论分析，揭示物理不对称铝泡沫芯金属夹层梁在三点弯曲下的失效模式，建立临界载荷预测公式，并优化其承载性能。

研究流程与方法
1. 实验设计
- 研究对象：制备四组物理不对称夹层梁试件，按加载面板材料（钢Q235或铝合金1060）和泡沫芯强度（σc=2MPa或3MPa）分为SL-C2、SL-C3、AL-C2、AL-C3。面板厚度（0.89-2.86mm）、芯层厚度（12-43mm）、跨度（104-392mm）等参数梯度变化。
- 材料测试：通过单轴拉伸试验获取面板材料的应力-应变曲线（图3a），压缩试验测定泡沫芯的应力-应变曲线及压缩强度σc（图3b）。
- 三点弯曲试验：使用Hualong电子万能试验机（图4），以1.5mm/min速度加载，记录载荷-位移曲线，并通过数码相机捕捉失效过程。

1. 失效模式观察
   实验观察到五种失效模式（图1）：

   • 压痕（indentation）：加载头下方泡沫局部压溃，伴随面板局部拉伸弯曲（图5-6）。
     
   • 面板屈服（face yield）：跨中截面全塑性形成塑性铰，钢面板应变硬化导致载荷持续上升（图7-8）。
     
   • 芯层剪切（分A、AB、A-AB三型）：芯层剪切断裂伴随面板塑性铰形成（图9-11）。其中A-AB型为不对称结构特有，表现为单侧面板塑性铰与芯层非对称剪切（图11）。
     

2. 理论建模

   • 临界载荷公式：基于刚性-理想塑性假设，推导各失效模式的临界载荷表达式。例如，压痕模式临界载荷公式为Pin=2bh√(σfσc)（式3），并通过实验数据修正钢面板的系数至1.2（图12）。
     
   • 失效机制图（failure mechanism map）：以无量纲几何参数c/l和h/c为坐标轴，绘制不同材料组合下的失效区域分布（图14），揭示几何参数与失效模式的映射关系。
     

3. 优化设计
   以给定质量下最大化承载能力为目标，构建优化设计图（图15），通过数值搜索确定最优几何参数组合（c, h），并对比不同材料组合的性能（图16）。

主要结果
1. 实验验证：理论预测与实验结果吻合良好（表2）。例如，SL-C3-5试件压痕载荷预测误差仅2.9%，AL-C3-8芯层剪切A型误差7.4%。
2. 失效机制差异：
- 钢面板试件（SL）更易发生芯层剪切A-AB型失效，而铝合金面板（AL）以压痕为主。
- 芯层强度增加（σc从2MPa至3MPa）使面板屈服区域扩大，芯层剪切区域缩小（图14）。
3. 优化结果：SL-C3组合在较大质量下具有最优承载性能（图16），其临界载荷比AL-C2高约30%。

结论与价值
1. 科学价值：首次系统揭示了物理不对称金属夹层梁的失效行为，提出A-AB型剪切失效的判别准则，完善了夹层结构失效理论。
2. 应用价值：优化设计方法可为航空、车辆等领域的轻量化结构选材与参数设计提供指导。例如，高承载需求场景优先选择钢面板与高强泡沫芯组合。
3. 创新发现：
- 发现应变硬化效应对面板屈服模式“二次失效”的影响机制（图7-8）。
- 揭示面板材料交换对失效机制图的显著影响（图14），为不对称结构设计提供新思路。

研究亮点
1. 方法创新：结合实验修正的临界载荷公式（式4-5）显著提高预测精度。
2. 现象发现：首次报道A-AB型剪切失效模式，拓展了夹层结构失效理论。
3. 跨学科意义：融合材料力学、塑性力学与优化理论，推动多功能夹层结构设计发展。

其他价值
研究提出的失效机制图构建方法（图14）可推广至其他非对称复合材料体系，而优化设计流程（图15-16）为工程实践提供了标准化工具。数据公开声明提及的后续研究可能涉及动态载荷或多物理场耦合分析，值得持续关注。