車身泡沫填充鋁合金波紋夾芯板結構性能分析與優化*

崔 岸，劉芳芳，張 晗，郝裕興，陳 寵，張 睿

（吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025）

前言

采用輕質復合材料是實現汽車車身輕量化的一個重要途徑。夾芯板結構是由兩層較薄的表層面板和輕質夾芯所組成，具有高比強度、高比模量、輕質易成形和制造成本低等優點，在工程領域得到廣泛的應用［1］。波紋夾芯板是夾芯板的一種，芯層可以采用波紋金屬薄片的結構形式，不但具有一定強度，且在設計中具有很高的靈活性。

國內外學者對夾芯板的研究取得了一定的成果［2-14］。其中，文獻［2］中研究了芯層分別填充金屬泡沫和陶瓷材料的不同構型的金屬格柵夾芯板，在受到金屬泡沫子彈和剛性子彈沖擊時的動態力學性能，結果表明，金屬泡沫填充的夾芯板緩沖吸能效果更好，陶瓷填充的夾芯板則在抗沖擊穿透方面更具有優勢；文獻［5］中研究了泡沫鋁填充波紋夾芯板的壓縮強度和吸能特性，結果表明，泡沫鋁填充波紋夾芯板的壓縮強度和吸能特性明顯優于未填充的波紋夾芯板和單獨泡沫鋁結構；文獻［6］中通過試驗和數值模擬對比分析了不同夾芯材料的波紋夾芯板的壓縮性能和失效機理，發現芯層為復合材料的抗壓強度較優；文獻［7］和文獻［12］中針對爆炸載荷下泡沫填充低碳鋼波紋夾芯板的抗沖擊性能和泡沫分布進行了研究，結果表明泡沫填充低碳鋼波紋夾芯板的抗高速沖擊吸能特性顯著提升；文獻［8］中分析了泡沫填充波紋夾芯梁在垂直于波紋方向的面內壓縮破壞模式，對泡沫填充波紋夾芯梁進行質量最小優化設計，發現填充泡沫的波紋夾芯梁具有更優的面內壓縮性能；文獻［9］中研究了不同芯層層數和結構形式的波紋夾芯板的壓縮特性，發現芯層層數和結構形式對夾芯板失效機理和能量吸收有重要影響；文獻［13］中研究了帶有孔洞的波紋夾芯板的低頻吸聲系數和聲傳播損耗，結果表明上面板和芯層具有孔洞的波紋夾芯板在低頻聲波下表現出最佳的聲學性能，分析了孔洞直徑和孔洞占比對低頻吸聲系數和聲傳播損耗的影響；文獻［14］中通過試驗研究了硅氧烷基復合泡沫填充的波紋夾芯板在室溫和高溫下的抗沖擊性能，結果顯示，填充復合泡沫的波紋夾芯板較未填充復合泡沫的波紋夾芯板的抗沖擊性能明顯提升，在高溫沖擊下波紋夾芯板損壞的主要形式是面板焊接失效。

目前國內對蜂窩夾芯板的研究與應用較為普遍，而對波紋夾芯板尚在研究階段，特別是在汽車上的應用研究并不多見。隨著波紋夾芯板在工程領域的逐步推廣，為滿足汽車車身設計對輕量化和多種性能的需求，對其進行廣泛深入的研究具有重要意義。

本文中通過制備4種不同波紋芯層厚度的泡沫填充鋁合金波紋夾芯板，基于試驗和仿真相結合的方法，研究其相關力學性能，采用正交試驗法分析夾芯板面板和芯層板材的厚度對結構抗低速沖擊性能的影響，對夾芯填充泡沫的分布進行拓撲優化和試驗驗證。最后，通過在某轎車車門外板的應用，探討其應用效果。

1 樣件制備與性能試驗

1.1 樣件制備

泡沫填充波紋夾芯板樣件如圖1所示。其中，上、下面板采用厚度為0.4 mm的鋁合金6061，芯層波紋板采用厚度為0.2 mm的鋁合金5052，波紋振幅為1 mm，夾芯泡沫采用聚氨酯泡沫。面板和芯板用金屬膠粘結，待24 h固化后，將液態聚氨酯泡沫擠入蜂窩狀的波紋孔隙中，隨后聚氨酯泡沫充分發泡并附著于波紋縫隙，在30℃的環境中固化24 h，即可得到泡沫填充波紋夾芯板。分別制備了含有1，2，3，4層波紋芯層的夾芯板（填充泡沫和未填充泡沫），樣件厚度分別為2.8，4.8，6.8和 8.8 mm，樣件的長度和寬度都是60 mm。樣件材料參數見表1，金屬膠粘結性能參數見表2。

圖1 樣件制備

表1 樣件材料參數

表2 金屬膠粘結性能參數

1.2 力學性能試驗

分別對填充泡沫和未填充泡沫的夾芯板樣件進行壓縮、彎曲和沖擊試驗。為保證試驗精度，每種尺寸的樣件均取3組試驗數據的平均值作為最終結果。

1.2.1 壓縮試驗

在電子萬能試驗機上進行壓縮試驗，如圖2所示。其中，壓頭的下沉速度為2 mm/min。試驗得到的應力-應變曲線如圖3所示（僅給出1層和4層夾芯樣件結果），根據應力-應變曲線得到夾芯板的壓縮強度和彈性模量，如表3所示。

圖2 壓縮試驗

圖3 夾芯板應力-應變曲線

表3 夾芯板壓縮力學參數

通過圖3可以看出，夾芯板的壓縮過程分為彈性、塑性和密實3個階段。在彈性階段，壓縮應力隨位移的增加基本呈線性增加，此階段夾芯板無明顯壓潰和應力集中現象。在塑性階段，應力隨位移的增加出現平臺期，由于未填充泡沫的樣件相對填充泡沫的樣件具有更多的孔隙，因此其平臺期較長，進入密實階段較晚。在密實階段，應力隨應變的增加迅速增加，從壓縮起點到密實階段起點的形變過程能反映夾芯板的壓縮性能，借此可計算其吸能大小。由表4可進一步看出，填充泡沫的樣件的壓縮強度和彈性模量較未填充泡沫的樣件均有所提升，且壓縮強度隨波紋板層數的增加而增加，表明聚氨酯泡沫的填充能有效增加其抗壓性能。

1.2.2 彎曲性能試驗

在電子萬能試驗機上進行彎曲試驗，如圖4所示?？缇酁?20 mm，壓頭的下沉速度為5 mm/min。選取跨距中點作為采樣點，獲得的載荷-位移曲線如圖5所示（僅給出1層和4層夾芯的樣件），當曲線開始出現下降趨勢時停止試驗。根據載荷-位移曲線得到夾芯板的彎曲力學性能，如表4所示?？梢钥闯觯畛渑菽瓨蛹膹澢鷱姸群蛷澢鷦偠榷即笥谖刺畛渑菽臉蛹砻魈畛渑菽軌蛴行Ц纳茒A芯板的抗彎性能。

圖4 彎曲試驗

圖5 夾芯板載荷-位移曲線

表4 夾芯板彎曲力學參數

1.2.3 低速沖擊試驗

落錘試驗臺及相關部件如圖6所示。將樣件通過夾具固定在試驗臺架上，落錘在距離樣件2 m的高度自由下落。夾芯板受到落錘的沖擊作用而產生變形，本文選取下面板中心點最大位移量作為重要參數，通過其變化比較不同試件的抗沖擊性能。由位移傳感器記錄下面板中心點P的時間-位移曲線，如圖7所示?？梢钥闯觯邢嗤緦拥膴A芯板，填充泡沫樣件的曲線斜率均小于未填充泡沫的樣件，說明填充泡沫后，下面板中心點撓度減小，夾芯板的抗沖擊性有所增強。表5列出了3 ms時樣件P點的最大位移情況?？梢钥闯觯畛渑菽瓨蛹點最大位移比未填充泡沫樣件均有不同程度的減小，泡沫層越厚，其抗沖擊效果越顯著。

圖6 落錘試驗臺及相關部件

圖7 夾芯板P點時間-位移曲線

表5 P點在3 ms時的位移

2 板材厚度對結構抗沖擊性的影響分析

2.1 仿真模型驗證

針對4層夾芯樣件，在Abaqus中進行落錘沖擊仿真分析，有限元模型如圖8所示。鋁合金采用Johnson-cook本構模型，聚氨酯泡沫采用Ogde-hyperfoam 2階本構模型。面板及波紋板均采用四邊形殼單元，面板與芯層波紋板之間、各芯層波紋板之間都采用面面接觸，接觸選擇罰函數算法；填充泡沫采用Hex-dominated單元類型，泡沫與金屬板之間也采用面面接觸，接觸選擇運動接觸算法。模型中涉及接觸的部位均采用綁定約束。對模型進行兩端固定，兩端自由度完全約束，落錘設為剛性體，其在垂直于試件方向上的速度為6 325 mm/s，作用時間為3 ms。下面板中心P點的時間-位移曲線如圖9所示?？梢钥闯?，仿真結果與試驗結果基本符合，驗證了仿真的有效性。

圖8 夾芯板沖擊有限元模型

圖9 仿真與試驗時間-位移曲線對比

2.2 板材厚度對結構抗沖擊性的影響

采用正交試驗法，將上、下面板和波紋板厚度作為3個影響因子，每個因子取3種水平，列出三因素三水平表如表6所示。選擇L9（33）正交試驗，以夾芯板下面板中心點P在3 ms時的最大位移量作為試驗指標。將試驗方案在Abaqus中進行沖擊仿真，得到的仿真結果見表7。表8為仿真結果極差分析。其中：Ki（i＝1，2，3）為各因素同一水平下的試驗指標的平均值；R為極差，R＝max（Ki）-min（Ki），表示該因素在其取值范圍內試驗指標的變化幅度。

表6 三因素三水平表 mm

表7 正交試驗結果 mm

表8 板材厚度組合極差分析

對比表8中3種影響因子極差R可知，影響該結構抗沖擊性的主要因素為下面板厚度，其次是上面板厚度，最后是芯層波紋板厚度。對比3種影響因子的均值，可以看出，對于上面板為最小值，表示在其他情況相同，而上面板厚度選擇第3水平（0.5 mm）時，P點位移最??；同理，對于波紋板和下面板，分別選擇第1水平（0.1 mm）和第3水平（0.5 mm）時，P點位移最小。因此，針對抗沖擊性能，各板厚度的較優組合方案為上面板0.5 mm，下面板0.5 mm，波紋板0.1 mm。

3 填充泡沫分布優化

采用變密度拓撲優化方法，考慮兩端固定、簡支、剛性基礎3種邊界條件，進行泡沫分布優化。優化區域為受力點附近的48個孔洞，將每個孔洞是否填充泡沫作為一個設計變量Xi，填充泡沫記為1，未填充泡沫記為0，共有48個設計變量，248種不同的填充方式，以設計區域填充泡沫的總體積為約束，利用Abaqus軟件進行優化計算，獲得不同邊界條件下板材最優的泡沫填充分布方式。

優化目標：下面板的中心點P沿施力方向的位移（剛性基礎時為反作用力）最小化；

設計變量：Xi＝｛0，1｝，i＝1，2，…，48；

約束：設計區域泡沫體積總量≤1（100/100）。

夾芯板在3種邊界條件下優化后的泡沫填充方式見圖10。

圖10 泡沫分布優化結果

為驗證優化結果的有效性，針對兩端固定的約束情況進行沖擊試驗驗證，得出的下面板P點的時間-位移曲線如圖11所示。優化后P點在3 ms的最大位移量為4.85 mm，相比于優化前的5.50 mm，位移量減小約12%。試驗與仿真結果對比見表9?？梢钥闯觯瑑灮菽植家院?，不但減少了泡沫，且在一定程度上增強了夾芯板結構的抗沖擊性能，試驗結果與仿真結果基本一致，證明優化方法有效。

圖11 泡沫分布優化后P點時間位移曲線

表9 試驗與仿真結果對比 mm

4 應用實例仿真分析

將含有3層芯的夾芯板結構應用于某款轎車左前車門外板，使用LS-DYNA軟件對整車進行側撞仿真分析。車門外板三維幾何模型如圖12所示，整車側面碰撞仿真模型如圖13所示。根據相關法規要求，采用移動變形壁障以50 km/h的速度垂直于汽車側面進行撞擊，移動變形壁障與汽車側面采用面面接觸，為保證計算精度，將沙漏系數設置為0.01。選取左側前車門內板上的3個關鍵點（分別對應乘員的胸部、腹部和盆骨位置）的最大侵入量和侵入速度作為車門側撞安全性指標，仿真結果如表10所示。

圖12 車門外板三維幾何模型

圖13 碰撞仿真模型

由表10可知，車門外板替換成夾芯板后，車門關鍵點的最大侵入量和最大侵入速度較替換前均有不同程度的降低，最大侵入量的降幅最小為3.7%，最大為6.9%；最大侵入速度的降幅最小為1.3%，最大為2.2%?？梢钥闯?，車門外板替換成夾芯板后，其側撞安全性有一定程度的提升。經計算，夾芯板車門外板較全鋼材車門外板質量減輕約38%，材料價格增加約27%。

表10 車門關鍵點最大侵入量和侵入速度

5 結論

設計了一種泡沫填充鋁合金波紋夾芯板復合結構，探討了該結構的壓縮、彎曲和抗沖擊特性。通過試驗與仿真相結合，建立了夾芯板結構有限元模型，采用正交試驗法，研究了板材厚度對夾芯板結構抗沖擊性能的影響，獲得了板材厚度方案。采用拓撲優化方法，分別考慮兩端固定、簡支和剛性基礎3種邊界條件，對夾芯板填充泡沫布置進行了優化設計及試驗驗證。最后，將優化后的泡沫填充夾芯板結構應用于某轎車左前門外板，進行整車側撞仿真分析。結果表明，前車門關鍵點的最大侵入量和侵入速度均有一定程度的降低，同時車門質量也明顯減輕，因此滿足了提升車身輕量化和安全性的設計要求。雖然目前夾芯板的成本偏高，但隨著制造技術的不斷發展，未來必將會大大降低其制造成本，具有可觀的應用前景。