《COMPOSITE STRUCTURES》：The influence of face sheet and core configuration on the low-velocity impact failure behavior of FMLs/PMI foam-reinforced structures
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摘要为了提升轻质夹层结构的抗冲击性能，人们通常采用纤维金属层压板作为面层、泡沫材料作为填充物以及波纹芯材，但它们在低速冲击作用下的载荷传递、能量耗散以及损伤演化方面的协同效应仍不明确。本研究设计了四种面层材料、泡沫及芯材几何形状各不相同的夹层结构：碳纤维增强聚合物梯形结构（CCS
摘要
为了提升轻质夹层结构的抗冲击性能，人们通常采用纤维金属层压板作为面层、泡沫材料作为填充物以及波纹芯材，但它们在低速冲击作用下的载荷传递、能量耗散以及损伤演化方面的协同效应仍不明确。本研究设计了四种面层材料、泡沫及芯材几何形状各不相同的夹层结构：碳纤维增强聚合物梯形结构（CCS）、纤维金属层压板梯形结构（FCS）、纤维金属层压板/聚甲基丙烯酸甲酯泡沫填充梯形结构（FPCS）以及纤维金属层压板/聚甲基丙烯酸甲酯泡沫填充矩形结构（FRPCS）。通过25、55和85焦耳的冲击试验，以及85焦耳条件下的有限元模拟，研究了这几种结构的损伤机制。实验结果表明，纤维金属层压板面层可通过塑性变形和载荷重新分配来提高峰值载荷并延缓结构穿透；聚甲基丙烯酸甲酯泡沫填充物能够提升结构刚度，减少位移，同时降低芯材挤压和分层现象，但其对能量吸收和反弹性能的提升效果较为有限。与矩形芯材相比，梯形芯材能更有效地传递载荷并抵抗损伤，从而使FPCS结构的峰值载荷更高，损伤程度更低。所建立的模型能够准确反映实验结果，并揭示出多阶段的损伤过程：面层损伤、界面分层、铝材断裂、泡沫挤压以及芯材不稳定。这些研究结果阐明了纤维金属层压板、泡沫材料与芯材之间的协同作用，为设计抗冲击夹层结构提供了指导。
引言
作为典型的异质材料体系，复合夹层结构结合了高刚度的面层材料与轻质芯材，因此具有较高的比强度、比刚度、良好的隔音性能以及抗腐蚀能力。正因如此，这类结构被广泛应用于航空航天、海洋工程以及铁路运输领域[1]、[2]、[3]。其优势源于面层与芯材的协同承重作用：诸如碳纤维增强聚合物层压板或铝合金板之类的面层主要承担弯曲载荷和平面内的载荷，而闭孔泡沫[4]、[5]、蜂窝结构[6]、[7]、[8]、波纹芯材以及桁架结构[9]、[10]等轻质芯材则负责承受剪切载荷和压缩载荷。这种结构组合使得载荷传递和能量耗散更为高效。近年来，随着对轻质且具有抗冲击性能的结构需求不断增加，带有波纹芯材的夹层结构得到了进一步发展。由于波纹芯材的几何形状可灵活设计，且具备定向承重特性，因此在需要特定力学性能的应用中展现出巨大潜力，比如可变形的机翼结构以及轻质海洋部件[11]、[12]。
在实际应用中，夹层结构常常要承受复杂的载荷作用，其中低速冲击尤为关键[13]。在冲击作用下，结构可能会出现多种损伤模式，包括面层塑性变形、纤维断裂、基体开裂、界面分层以及芯材挤压。尤其是界面分层和芯材挤压会显著降低结构的承重能力和剩余强度[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。这一问题在传统的碳纤维增强聚合物夹层结构中更为突出，因为这类结构具有脆性破坏特征，且层间结合强度较低，难以用于需要承受主要载荷或具备抗冲击性能的场合[21]。因此，弄清夹层结构在低速冲击下的损伤机制，并开发有效的抗冲击设计策略，对于提升其使用可靠性具有重要意义。
为了解决这些问题，人们提出了多种解决方案，主要包括材料改进和结构设计两个方面。在材料层面，由于纤维金属层压板具有较高的损伤容忍度和出色的塑性变形能力[22]、[23]、[24]、[25]，因此被用来替代传统的碳纤维增强聚合物面层[26]、[27]。Cantwell等人[28]利用氮气枪研究了复合材料以及纤维金属层压板增强型铝泡沫夹层结构在高速冲击下的响应情况，发现这类结构在动态载荷作用下的能量吸收性能较好。Kiratisaevee等人[29]则研究了采用纤维金属层压板面层的铝泡沫夹层结构的冲击响应，结果表明该面层配置提升了结构的能量吸收能力。Dariushi和Sadighi等人[30]研究了纤维金属层压板夹层梁的弯曲行为，发现该面层能够提高结构对局部横向载荷的抵抗能力。Hui等人[31]从理论和数值分析的角度，研究了由纤维金属层压板面层和金属泡沫芯材构成的细长多层夹层梁在低速冲击下的响应，重点分析了复合材料与金属材料的强度比、芯材强度以及金属体积分数等因素的影响。Shahveisi等人[32]运用高阶剪切变形理论，研究了带有柔性芯材的弯曲纤维金属层压板夹层梁在面层受到低速冲击时的动态响应。Song等人[33]则通过解析方法和数值模拟，分析了带金属泡沫芯材的夹紧式矩形纤维金属层压板夹层管在低速冲击下的动态行为，并为这类结构提出了相应的屈服准则。在结构设计方面，作为典型的低密度多孔材料，聚合物泡沫因其较高的比刚度、较大的变形能力以及出色的能量耗散性能，也为轻质夹层结构带来了诸多优势[34]。Yazici等人[35]结合实验与数值分析方法，研究了泡沫填充对金属波纹芯材夹层面板动态响应的影响。与未填充的基准结构相比，泡沫填充结构使面层的最大变形量减少了50%，这一结果充分体现了多孔材料在耗散冲击能量方面的有效性。Zhang等人[36]通过解析和数值方法，研究了完全夹紧的泡沫填充X型夹层梁在低速冲击下的动态响应，结果表明泡沫的强度会对这类结构的低速冲击响应产生重要影响。Chen等人[37]研究了泡沫填充型复合格构夹层梁在低速冲击下的行为，发现其主要损伤模式包括格构网架屈曲、面层纤维断裂、面层与泡沫之间的界面分层、泡沫剪切破坏、泡沫压痕以及泡沫挤压。Sun等人[34]通过低速冲击试验，评估了聚氨酯泡沫填充的玻璃纤维增强聚合物梯形波纹夹层结构在冲击下的失效性能和能量吸收效率。Okan等人[38]则通过实验研究了不同泡沫芯材结构的夹层复合材料在低速冲击下的响应情况，结果发现采用新型泡沫芯材的夹层复合材料，其能量吸收能力优于传统的玻璃织物/聚氯乙烯泡沫夹层复合材料。
尽管这些研究已经证明了纤维金属层压板面层、泡沫填充以及波纹芯材的优势，但以往的大多数研究都是单独探讨某一结构因素的影响。目前，关于面层材料、泡沫填充以及波纹芯材几何形状这三种因素在载荷传递、能量耗散、损伤抑制以及渐进式失效发展过程中的协同效应，仍然缺乏足够的了解。尤其值得关注的是，目前尚不清楚纤维金属层压板面层与聚甲基丙烯酸甲酯泡沫填充材料在不同波纹芯材几何形状的作用下，是如何共同控制低速冲击下的损伤起始与传播过程的。为填补这一研究空白，本研究设计了四种结构配置逐渐变化的波纹夹层结构，即CCS、FCS、FPCS和FRPCS。这种逐步变化的设计方式有助于在统一的实验框架内，分别研究面层材料、聚甲基丙烯酸甲酯泡沫填充以及波纹芯材几何形状所带来的影响。研究采用了25、55和85焦耳的低速冲击试验，来评估这四种结构的冲击响应特性和损伤表现。与此同时，针对85焦耳冲击条件，还建立了考虑了碳纤维增强聚合物层间损伤、界面分层、铝材延性断裂以及聚甲基丙烯酸甲酯泡沫挤压效应的有限元模型，以便揭示那些仅通过冲击后的观察无法完全识别的渐进式损伤发展过程。本研究的主要贡献在于建立了纤维金属层压板/聚甲基丙烯酸甲酯泡沫增强型波纹夹层结构的力学机制与结构特征之间的关联关系，明确了面层替换、泡沫填充以及芯材几何形状变化如何共同影响结构的抗冲击性能和失效模式。
章节要点
样品制备方法
本研究中使用了两种不同的面层材料以及两种几何形状各异的波纹芯材，它们的尺寸如图1所示。为确保各项参数能够进行公平比较，这四种波纹夹层结构的所有尺寸都保持一致，分别为长度150毫米、宽度100毫米以及高度15.1毫米。如图1(a)所示，面层材料分别采用纤维金属层压板和碳纤维增强聚合物层压板。纤维金属层压板面层是由厚度为0.3毫米的2024-T3铝合金制成的（美国凯撒公司）
结果与讨论
本节通过依次分析三个结构参数，对比了这四种夹层结构在低速冲击下的响应差异。首先，通过比较CCS结构和FCS结构，分析了用纤维金属层压板面层替代碳纤维增强聚合物面层所产生的影响。其次，通过比较FCS结构和FPCS结构，研究了聚甲基丙烯酸甲酯泡沫填充材料的作用。最后，通过比较FPCS结构和FRPCS结构，探讨了波纹芯材几何形状对结构性能的影响。讨论内容主要涉及载荷响应、位移变化以及能量耗散等方面
有限元模型
为进一步解读实验所得的冲击响应结果，并揭示那些仅通过冲击后的观察无法完全理解的渐进式损伤机制，本研究针对85焦耳冲击条件，对这四种夹层结构进行了有限元模拟。具体而言，根据实际试样的尺寸和铺层结构，分别在ABAQUS/Explicit软件中建立了CCS-85、FCS-85、FPCS-85和FRPCS-85这四种结构的有限元模型，如图11所示。实验结果为
结论
本研究探讨了四种波纹夹层结构，即CCS、FCS、FPCS和FRPCS，在25焦耳、55焦耳以及85焦耳冲击能量作用下的低速冲击行为及失效机制。通过低速冲击试验与经过验证的有限元模拟相结合的方式，分析了面层材料、聚甲基丙烯酸甲酯泡沫填充材料以及波纹芯材几何形状对结构冲击响应、损伤发展过程以及失效模式的影晌。主要结论如下。
(1) 用纤维金属层压板面层替代碳纤维增强聚合物面层
作者贡献说明
胡克军：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿撰写、方法研究、数据整理、概念构建。宋浩宇：论文撰写——审阅与编辑、结果验证、项目管理、定量分析、数据整理。吴金龙：论文撰写——审阅与编辑、实验研究。赵凤玲：项目管理、方法研究。史庆河：结果验证、定量分析、数据整理。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52402050）以及江苏省高校青蓝工程的资助。
胡克军|宋浩宇|吴金龙|赵凤玲|史庆河
