隨著航空航天、交通運(yùn)輸和建筑工業(yè)的快速發(fā)展，輕量化材料與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用成為工程領(lǐng)域的重要研究方向。點(diǎn)陣夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)作為一種新型的超輕多孔材料，因其優(yōu)異的比強(qiáng)度、比剛度、能量吸收能力和多功能特性而受到廣泛關(guān)注。然而，這類結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中可能面臨各種沖擊載荷的威脅，如工具跌落、冰雹撞擊或彈道沖擊等，因此對其動(dòng)態(tài)沖擊性能的準(zhǔn)確評估至關(guān)重要。

科準(zhǔn)測控團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，落錘沖擊試驗(yàn)是評估點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的有效手段，能夠模擬中等速度范圍內(nèi)的沖擊事件。本文系統(tǒng)介紹了點(diǎn)陣夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)沖擊試驗(yàn)的原理、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、儀器設(shè)備（KZ-ITM-6350落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)）以及詳細(xì)測試流程，旨在為工程技術(shù)人員提供一套完整的試驗(yàn)方法參考，促進(jìn)點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)在抗沖擊領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。

一、試驗(yàn)原理

點(diǎn)陣夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)沖擊試驗(yàn)的基本原理是通過控制質(zhì)量的落錘從一定高度自由落下，對試樣施加瞬態(tài)沖擊載荷，模擬實(shí)際使用環(huán)境中可能遇到的沖擊工況。試驗(yàn)過程中主要考察以下幾個(gè)方面的力學(xué)響應(yīng)：

1、能量吸收機(jī)制：點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)通過芯層的塑性變形、斷裂以及面板的彎曲變形等方式耗散沖擊能量。芯層拓?fù)錁?gòu)型（如金字塔型、蜂窩型、Kagome型等）對能量吸收效率有顯著影響。

2、力-位移響應(yīng)：通過安裝在落錘上的力傳感器和位移測量系統(tǒng)，可獲得沖擊力隨時(shí)間或位移的變化曲線，從而計(jì)算結(jié)構(gòu)的剛度、峰值載荷和能量吸收能力。

3、破壞模式分析：包括芯層壓縮屈曲、剪切失效、面板開裂或穿透等典型破壞形式，這些模式與結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和材料屬性密切相關(guān)。

4、、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性：沖擊速度通常在2-20m/s范圍內(nèi)，屬于中等應(yīng)變率(10?-102 s?1)加載條件，需要考慮材料的應(yīng)變率敏感性。

5、理論分析表明，點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)主要受以下無量綱參數(shù)影響：相對密度(ρ?)、沖擊能量與結(jié)構(gòu)塑性抗力的比值(Π)，以及慣性效應(yīng)與材料強(qiáng)度的比值(ψ)。通過合理設(shè)計(jì)這些參數(shù)，可優(yōu)化結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。

二、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國際標(biāo)準(zhǔn)：

ISO 6603-2:2000《塑料—硬質(zhì)塑料穿刺沖擊性能的測定—第2部分：儀器化沖擊試驗(yàn)》

ASTM D7136/D7136M-20《測量纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料對落錘沖擊事件損傷阻抗的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》

ASTM D7766/D7766M-11《聚合物基復(fù)合材料層壓板沖擊壓縮后剩余強(qiáng)度特性的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)：

GB/T 1043.1-2008《塑料 簡支梁沖擊性能的測定 第1部分：非儀器化沖擊試驗(yàn)》

GB/T 21239-2022《纖維增強(qiáng)塑料層合板沖擊后壓縮試驗(yàn)方法》

GJB 130.9-1986《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)方法》

行業(yè)特定標(biāo)準(zhǔn)：

航空航天領(lǐng)域常參考SACMA SRM 2R-94《聚合物基復(fù)合材料層壓板落錘沖擊試驗(yàn)推薦方法》

軌道交通領(lǐng)域參考EN 12663-1:2010《鐵路應(yīng)用-鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》

三、試驗(yàn)儀器

1、KZ-ITM-6350落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)

A、設(shè)備介紹

KZ-ITM-6350落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)主要用于檢測材料在動(dòng)負(fù)荷下沖擊性能、抗沖擊性能及試樣的損壞。試驗(yàn)方法是彈簧加速?zèng)_擊，測量試樣在沖擊過程中的受力和變形，觀察試樣損壞情況，例如試樣撓曲、開裂和斷裂。能夠通過軟件數(shù)據(jù)分析，得到?jīng)_擊力、沖擊能量、沖擊速度、材料吸收能量及損傷耗散能量、損傷臨界點(diǎn)。

B、技術(shù)參數(shù)

2. 輔助裝置

環(huán)境箱（選配）：-40℃~150℃溫度控制

高速攝像系統(tǒng)（選配）：最高100萬fps，用于變形過程觀測

聲發(fā)射檢測（選配）：用于損傷起始與擴(kuò)展監(jiān)測

四、試驗(yàn)流程

步驟一、 試樣制備

材料選擇：典型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)由碳纖維/玻璃纖維面板和金屬（鋁合金、鈦合金）或復(fù)合材料（FRP）點(diǎn)陣芯層組成

幾何尺寸：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)通常為100mm×100mm或150mm×150mm，厚度根據(jù)實(shí)際應(yīng)用（通常10-50mm）

制備工藝：芯層通過3D打印、折疊組裝或線切割加工，與面板通過膠粘或釬焊連接

數(shù)量要求：每組至少5個(gè)有效試樣，確保統(tǒng)計(jì)顯著性

步驟二、試驗(yàn)前準(zhǔn)備

1、設(shè)備校準(zhǔn)

力傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)（參考ISO 376）

位移測量系統(tǒng)校準(zhǔn)

落錘垂直度檢查（偏差<0.1°）

2、試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)

標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境：23±2℃，50±5%RH，調(diào)節(jié)時(shí)間≥24h

如需特殊環(huán)境（高低溫、濕熱），按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)處理

步驟三、參數(shù)設(shè)置

根據(jù)預(yù)估沖擊能量選擇適當(dāng)落錘質(zhì)量（通常使試樣撓度在厚度方向10-30%）

計(jì)算所需沖擊速度：v=√(2E/m)，其中E為沖擊能量，m為落錘質(zhì)量

設(shè)置采樣率（通常力通道≥100kHz，位移≥50kHz）

步驟四、試驗(yàn)步驟

安裝試樣于支撐夾具上，確保四邊簡支或固支（按標(biāo)準(zhǔn)要求）

（示意圖）

調(diào)整沖擊位置為試樣幾何中心，偏差<1mm

提升落錘至預(yù)定高度，鎖緊提升裝置

啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行預(yù)觸發(fā)設(shè)置

釋放落錘，實(shí)施沖擊

自動(dòng)捕獲沖擊過程數(shù)據(jù)（力-時(shí)間、位移-時(shí)間曲線）

電磁制動(dòng)系統(tǒng)防止二次沖擊

取出試樣，記錄宏觀損傷形貌

步驟五、數(shù)據(jù)采集與分析

1、采集的關(guān)鍵參數(shù)包括

接觸初始時(shí)間(t?)

峰值力(F???)及對應(yīng)時(shí)間(t???)

最大位移(δ???)

破壞模式（彈性回復(fù)、芯層壓潰、面板穿透等）

通過數(shù)值積分計(jì)算能量吸收：

E?bs=∫F(t)?v(t)dt≈∫F(t)?(dδ/dt)dt

2、典型分析內(nèi)容

力-位移曲線特征點(diǎn)識別

能量吸收效率計(jì)算：η=E?bs/E???????×100%

比能量吸收(SEA)=E?bs/m?，其中m?為試樣質(zhì)量

動(dòng)態(tài)剛度k*=F???/δ???

步驟六、 試驗(yàn)報(bào)告

完整試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包含：

試樣信息（材料、幾何、制備工藝）

試驗(yàn)條件（溫度濕度、沖擊能量、邊界條件）

原始數(shù)據(jù)與處理結(jié)果

破壞模式照片或顯微觀察

與理論預(yù)測或其他結(jié)構(gòu)的對比分析

不確定度評估（通常<5%）

五、注意事項(xiàng)

1、安全防護(hù)

試驗(yàn)時(shí)所有人員應(yīng)遠(yuǎn)離沖擊區(qū)域

定期檢查提升機(jī)構(gòu)、制動(dòng)裝置可靠性

碎片收集裝置應(yīng)有效工作

2、數(shù)據(jù)有效性

檢查力信號振蕩情況，必要時(shí)進(jìn)行低通濾波（截止頻率<1/3傳感器固有頻率）

確保無明顯的邊界滑動(dòng)或支撐結(jié)構(gòu)變形

同一組試驗(yàn)沖擊速度偏差應(yīng)<2%

3、特殊考慮

對于應(yīng)變率敏感材料，應(yīng)報(bào)告實(shí)際應(yīng)變率ε?≈v?/h，h為特征變形長度

溫度敏感材料需控制環(huán)境箱溫度穩(wěn)定性（±1℃）

各向異性結(jié)構(gòu)應(yīng)標(biāo)明沖擊方向與材料主軸的關(guān)系

4、設(shè)備維護(hù)

定期潤滑導(dǎo)向裝置

每半年進(jìn)行力傳感器標(biāo)定

沖擊頭磨損量>5%直徑時(shí)應(yīng)更換

六、應(yīng)用案例

以某型碳纖維面板/鈦合金金字塔點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)為例，采用KZ-ITM-6350試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊測試：

1、試樣參數(shù)：

尺寸：150mm×150mm×20mm

面板：2層碳纖維布[0/90]，單層厚度0.2mm

芯層：鈦合金(Ti-6Al-4V)金字塔結(jié)構(gòu)，桿直徑1.2mm，傾角45°

相對密度：8.5%

2、試驗(yàn)條件：

落錘質(zhì)量：10kg

沖擊能量：50J（高度0.51m）

邊界：四邊簡支，約束圈直徑100mm

3、結(jié)果分析：

峰值力：3.2kN

最大位移：8.7mm

能量吸收：42.3J（吸收率84.6%）

破壞模式：芯層桿件屈曲+局部斷裂，無面板穿透

該結(jié)果表明此點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在給定沖擊能量下表現(xiàn)出良好的能量吸收能力和損傷容限，適用于需要輕量化抗沖擊的航空航天部件。

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