高應變率加載下復合泡沫塑料的吸能特性及失效機理研究

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高應變率加載下復合泡塑料的吸能特性及失效機理研究盧子興1，2，袁應龍1（1.北京航空航天大學固體力學研究所，北京100083；2.中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室，北京100080）密度復合泡沫塑料在高應變率加載條件下的應力-應變曲線，研究了材料的動態(tài)力學性能基于所獲得的應力應變曲線，進一步分析和討論了復合泡沫塑料的能量吸收特性，發(fā)現材料最佳吸能點的包絡線是同一直線此外，通過動態(tài)變形試件的掃描電鏡分析，還研究了這類新材料的動態(tài)失效問題。　　收穡日期：2001-10-18；收修改穡日期：2⑴2-13-15基金項目：國家自然科學基金（10072007），NSAF聯合基金和教育部留學回國人員科研啟動基金（教外司留| 2001|345）資助項目復合泡沫塑料是重要的工程防護材料，它是將空心微球填充到樹脂基體或泡沫塑料中而制得的一種新型復合材料與普通泡沫塑料相比較，復合泡沫塑料具有許多獨特的優(yōu)點，如密度易于控制，機械性能較高，是一種輕質高強的材料。因此，它在航空、航天和航海等領域有廣泛的應用前景由于這類材料經常用于包裝沖擊防護和爆破防護等方面，所以它們的動態(tài)力學行為受到工程界的普遍關注雖然前人對復合泡沫塑料的靜、動態(tài)力學性能已有一些研究，但多數工作僅限于兩相復合泡沫塑料（空心球填充復合材料），對三相復合泡沫塑料（空心球填充泡沫塑料）的研究甚少，尤其是對動態(tài)力學性能的研究未見報道最近，我們針對三相聚氨酯復合泡沫材料進行了比較廣泛的實驗研究，并在的介紹，評價泡沫材料的吸能特性主要采用吸能率曲線和能量吸收圖吸能率曲線的方法最初由MiltZ5等提出，他們用E（Efficiency）參數來表示泡沫塑料的吸能率，用/（Ideality）參數來表示其理想的吸能率其中，E參數定義為真實泡沫塑料試件壓縮到最大應變X所吸收的能量同具有相同尺寸的理想泡沫塑料試件完全壓縮并傳遞相同的最大應力e時所吸收能量的比值，即而/參數定義為真實泡沫塑料和理想泡沫塑料試件壓縮到相同應變所吸收能量的比值，即能量吸收圖的方法是由Gibson，也有沿經線方向的張開型裂紋、與壓縮方向成45度角的剪切裂紋和赤道面附近的彎折破壞（a）為橫截面內胞體穿孔處的縱橫裂紋，尤其當穿孔位于胞體的底部時，會在穿孔處沿經線方向發(fā)出輻射狀裂紋；（b）為縱向截面內與壓縮方向成45度角的胞體壁上的剪切裂紋；（c）為橫截面內觀察到的垂直于載荷方向赤道面附近的裂紋此外，掃描電鏡的觀察還表明：復合泡沫塑料在動態(tài)加載時，慣性力在泡沫塑料胞體的破壞中起了一定的作甩同時，胞體內來不及流動的氣體也會對材料的破壞產生影響。因為高應變率大變形壓縮時，胞體內氣體處于絕熱壓縮狀態(tài)，陡增的內壓會使胞體壁的側壓迅速上升，有可能加速彎曲應力對胞體赤道面附近造成的破壞，形成所謂的“爆炸”現象3結論空心玻璃微球填充聚氨酯復合泡沫塑料的動態(tài)力學性能主要由密度因素決定，應變率效應只在高密度材料情況中才表現得比較明顯?！　〔煌瑧兟屎兔芏葪l件下，復合泡沫塑料最佳吸能點的包絡線是同一條直線，吸能率最高的點與能量吸收圖上的最佳吸能點相對應復合泡沫塑料胞體的動態(tài)破壞形式主要有彎折、拉伸和剪切三種，但與準靜態(tài)壓縮相比，胞體彎折破壞的比例明顯增力卩。此外，慣性力和胞體內的氣體壓力對胞體的動態(tài)破壞也有一定的作用。