瑞典斯德哥爾摩皇家理工大學對X-PVC、PEI和PMI泡沫夾層結構梁做了四點疲勞試驗，分別得出三種不同結構芯材發生剪切疲勞破壞的載荷、變形、剪切強度和S/N曲線。設定合適的加載幅度，在1×103-5×106次循環加載條件下，如果夾層結構梁發生疲勞破壞，就可以得到相應的疲勞破壞載荷。對于經過5×106循環以后對未發生破壞的試件，通過靜力方法（ASTM C393-62）測量其剩余剪切強度。
    簡介
    試驗對PMI、X-PVC和PEI三種類型的結構泡沫的疲勞性能進行了研究、比較。因為產品來自不同廠家，在夾層結構梁測試中選擇的芯材密度有所不同，但是所有的試驗都在同一個四點彎曲試驗機（圖1）上完成，夾層結構的試驗設計破壞形式都是芯材發生剪切破壞。先進行靜力試驗，測試夾層結構梁的靜剪切強度，然后進行疲勞加載試驗，疲勞實驗的加載次數在1×103-5×106之間，按照試驗設定，試件發生疲勞斷裂。在試驗得出的S/N曲線中，疲破壞載荷的大小是以其與剪切強度的比值的形式給出。如果經過5×106 循環加載試件未發生破壞，采用和原先測試靜力性能相同的方法測試試件的剩余剪切強度。       

 
    試驗方法
    所有試驗均采用四點彎曲試驗機，在ASTM C393-62 [1] 標準的基礎上進行。通過四點彎曲試驗 [2] 測試夾層結構芯材剪切疲勞性能的方法，已被證實可行 [3-4] 。四點彎曲試驗本身的優點是構件不會出現大的應力集中，夾層結構（面層材料－膠－芯材）在加載過程中相對獨立，與實際使用過程中結構的受力情況相似。彎矩和剪力如圖2所示，在內外支點之間，剪力是一個常數，彎矩的變化是從內支點處的大值減小到外支點處的零。在四點彎曲試驗中，中間截面處的彎矩是一個常量（也是大值），同時剪力為零；在內外支點之間剪力是常量。
    在測試過程中，內外支點之間的芯材的受力幾乎為純剪應力狀態，這正是試驗所需要的。根據Zenkert[5]提出的方法，結合示意圖上的標注，計算得出大剪力Tmax和大剪應力τmax分別是： 
    其中P 等于四點彎曲試驗機所加載荷的1/2。tc和tf分別是芯材和面板的厚度。
    同時，大的彎矩Mmax以及根據近似公式（該關系適用于面板對稱的夾層結構）計算得出的大面板拉伸/壓縮應力σmax分別是：

    其中，L1和L2是圖2中試件支點之間的距離。為了讓四點彎曲試件發生芯材剪切破壞，支點的間距必須經過計算，使得芯材的剪切破壞成為結構的臨界破壞形式。假定芯材的極限剪應強度是τi，面板的極限拉伸強度是σi，后者可以是壓縮、拉伸或者局部屈曲強度強度。根據面材和芯材的彈性模量（Ef 和 Ec ）以及芯材的剪切模量之間的關系得出：

    夾層結構試件的鋪層結構形式與通常的船艇結構相同，制造工藝也是采用樹脂注射工藝，一步完成。將干纖維多軸向織物直接鋪設在夾層結構芯材的上下兩側，然后鋪放樹脂導流介質材料，并用真空袋密封，抽真空，通過注射口注射樹脂，兩側纖維同時浸潤，室溫制造、固化。使用圓形金剛砂鋸將構件切割成需要的尺寸。試件的結合尺寸和所用材料在表1和2中列出。在表7中列出了這幾種芯材的力學性能。
    剪切試驗
    先利用靜力加載剪切試驗得到疲勞試驗的加載范圍。在22℃的室溫環境下，按照ASTM C393-62，使用Schenk PSA40 液壓試驗機，每組測試3個相同的試件，加載速度為 6 mm/min 。
    疲勞試驗
    試驗研究的目的是在載荷振幅為常量時，比較這幾種泡沫材料的疲勞性能。試驗加載比率R=0.1，每組至少六個試件。
    疲勞試驗在一臺40 kN的Schenk通用液壓侍服試驗機上進行。所有疲勞試驗都使用了一種特殊的控制回路――間接加載控制系統。加載通過位移控制加載，記錄下加載反應，在經過一定次數的循環以后，將載荷變化的平均值返回給位移控制系統。
    通過疲勞試驗得出標準的S/N曲線，如圖3所示。Y軸是PMI 51 S 疲勞破壞載荷和靜力載荷的比值，X軸為加載循環次數（n）的對數。加載循環次數的大值為5×106，部分試件在經過5×106次循環加載試驗后，沒有發生破壞。圖7為PMI 51 S 在 P/Pcrit=65%，n=1×106 次循環加載條件下，發生剪切疲勞破壞的照片。圖4 -6為X-PVC 和 PEI的S/N值。表4 是5×106 次加載循環條件下的疲勞破壞剪切強度值。   

    剩余剪切強度       [-page-]     
    在經過5×106次加載循環，如果試樣未發生破壞，疲勞試驗中止，轉而進行靜力加載試驗，試驗過程和試驗方法和原先的靜力試驗相同。試驗結果在表5中列出。

    結論
    進行的一系列試驗表明，PMI泡沫能夠承受相當于58% 的靜力破壞載荷的疲勞載荷，X-PVC 能承受相當于33%的靜力破壞載荷的疲勞載荷，PEI 泡沫只有25%。PMI 泡沫芯材的抗疲勞性能好。（參見表4。）

    疲勞試驗的剪切破壞載荷和剪切破壞強度與靜力情況相比，差異很小。這表明PMI泡沫材料在高動態載荷下的夾層結構中具有良好的可靠性。
    經過5×106次循環，試樣未發生破壞的情況下，在隨后的靜力加載破壞試驗中，發現PVC和PEI泡沫的靜力加載剪切破壞變形降低多達57%。這兩種泡沫芯材都失去了原有的延性，這需要進一步的研究來解釋。
    雖然經過了疲勞試驗，但是PMI泡沫芯材的剪切破壞變形終保持同一個數量級。
    多年來的實踐證明夾層結構PMI泡沫芯材材料適合于高動力載荷的應用領域，例如鐵路機車、高速船舶、航天航空和風機葉片等。一系列試驗的結果也證明了這一點。