隨著航空航天、交通運輸和建筑工業的快速發展，輕量化材料與結構的設計與應用成為工程領域的重要研究方向。點陣夾芯復合結構作為一種新型的超輕多孔材料，因其優異的比強度、比剛度、能量吸收能力和多功能特性而受到廣泛關注。然而，這類結構在實際應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，因此對其動態沖擊性能的準確評估至關重要。

科準測控團隊認為，落錘沖擊試驗是評估點陣夾芯結構抗沖擊性能的有效手段，能夠模擬中等速度范圍內的沖擊事件。本文系統介紹了點陣夾芯復合結構沖擊試驗的原理、相關標準、儀器設備（KZ-ITM-6350落錘沖擊試驗機）以及詳細測試流程，旨在為工程技術人員提供一套完整的試驗方法參考，促進點陣夾芯結構在抗沖擊領域的應用與發展。

一、試驗原理

點陣夾芯復合結構沖擊試驗的基本原理是通過控制質量的落錘從一定高度自由落下，對試樣施加瞬態沖擊載荷，模擬實際使用環境中可能遇到的沖擊工況。試驗過程中主要考察以下幾個方面的力學響應：

1、能量吸收機制：點陣夾芯結構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。芯層拓撲構型（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：通過安裝在落錘上的力傳感器和位移測量系統，可獲得沖擊力隨時間或位移的變化曲線，從而計算結構的剛度、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，這些模式與結構的幾何參數和材料屬性密切相關。

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

5、理論分析表明，點陣夾芯結構的沖擊響應主要受以下無量綱參數影響：相對密度(ρ?)、沖擊能量與結構塑性抗力的比值(Π)，以及慣性效應與材料強度的比值(ψ)。通過合理設計這些參數，可優化結構的抗沖擊性能。

二、相關標準

國際標準：

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

ASTM D7136/D7136M-20《測量纖維增強聚合物基復合材料對落錘沖擊事件損傷阻抗的標準試驗方法》

ASTM D7766/D7766M-11《聚合物基復合材料層壓板沖擊壓縮后剩余強度特性的標準實施規程》

國內標準：

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》

GB/T 21239-2022《纖維增強塑料層合板沖擊后壓縮試驗方法》

GJB 130.9-1986《夾層結構彎曲性能試驗方法》

行業特定標準：

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

軌道交通領域參考EN 12663-1:2010《鐵路應用-鐵路車輛車體結構要求》

三、試驗儀器

1、KZ-ITM-6350落錘沖擊試驗機

A、設備介紹

KZ-ITM-6350落錘沖擊試驗機主要用于檢測材料在動負荷下沖擊性能、抗沖擊性能及試樣的損壞。試驗方法是彈簧加速沖擊，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。能夠通過軟件數據分析，得到沖擊力、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。

B、技術參數

2. 輔助裝置

環境箱（選配）：-40℃~150℃溫度控制

高速攝像系統（選配）：最高100萬fps，用于變形過程觀測

聲發射檢測（選配）：用于損傷起始與擴展監測

四、試驗流程

步驟一、 試樣制備

材料選擇：典型點陣夾芯結構由碳纖維/玻璃纖維面板和金屬（鋁合金、鈦合金）或復合材料（FRP）點陣芯層組成

幾何尺寸：根據標準通常為100mm×100mm或150mm×150mm，厚度根據實際應用（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

數量要求：每組至少5個有效試樣，確保統計顯著性

步驟二、試驗前準備

1、設備校準

力傳感器靜態校準（參考ISO 376）

位移測量系統校準

落錘垂直度檢查（偏差<0.1°）

2、試樣狀態調節

標準環境：23±2℃，50±5%RH，調節時間≥24h

如需特殊環境（高低溫、濕熱），按相應標準處理

步驟三、參數設置

根據預估沖擊能量選擇適當落錘質量（通常使試樣撓度在厚度方向10-30%）

計算所需沖擊速度：v=√(2E/m)，其中E為沖擊能量，m為落錘質量

設置采樣率（通常力通道≥100kHz，位移≥50kHz）

步驟四、試驗步驟

安裝試樣于支撐夾具上，確保四邊簡支或固支（按標準要求）

（示意圖）

調整沖擊位置為試樣幾何中心，偏差<1mm

提升落錘至預定高度，鎖緊提升裝置

啟動數據采集系統，進行預觸發設置

釋放落錘，實施沖擊

自動捕獲沖擊過程數據（力-時間、位移-時間曲線）

電磁制動系統防止二次沖擊

取出試樣，記錄宏觀損傷形貌

步驟五、數據采集與分析

1、采集的關鍵參數包括

接觸初始時間(t?)

峰值力(F???)及對應時間(t???)

最大位移(δ???)

破壞模式（彈性回復、芯層壓潰、面板穿透等）

通過數值積分計算能量吸收：

E?bs=∫F(t)?v(t)dt≈∫F(t)?(dδ/dt)dt

2、典型分析內容

力-位移曲線特征點識別

能量吸收效率計算：η=E?bs/E???????×100%

比能量吸收(SEA)=E?bs/m?，其中m?為試樣質量

動態剛度k*=F???/δ???

步驟六、 試驗報告

完整試驗報告應包含：

試樣信息（材料、幾何、制備工藝）

試驗條件（溫度濕度、沖擊能量、邊界條件）

原始數據與處理結果

破壞模式照片或顯微觀察

與理論預測或其他結構的對比分析

不確定度評估（通常<5%）

五、注意事項

1、安全防護

試驗時所有人員應遠離沖擊區域

定期檢查提升機構、制動裝置可靠性

碎片收集裝置應有效工作

2、數據有效性

檢查力信號振蕩情況，必要時進行低通濾波（截止頻率<1/3傳感器固有頻率）

確保無明顯的邊界滑動或支撐結構變形

同一組試驗沖擊速度偏差應<2%

3、特殊考慮

對于應變率敏感材料，應報告實際應變率ε?≈v?/h，h為特征變形長度

溫度敏感材料需控制環境箱溫度穩定性（±1℃）

各向異性結構應標明沖擊方向與材料主軸的關系

4、設備維護

定期潤滑導向裝置

每半年進行力傳感器標定

沖擊頭磨損量>5%直徑時應更換

六、應用案例

以某型碳纖維面板/鈦合金金字塔點陣夾芯結構為例，采用KZ-ITM-6350試驗機進行沖擊測試：

1、試樣參數：

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)金字塔結構，桿直徑1.2mm，傾角45°

相對密度：8.5%

2、試驗條件：

落錘質量：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

該結果表明此點陣結構在給定沖擊能量下表現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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