汽車輕量化耐撞緩沖吸能結構的設計

邵云霄，何佳歡，侯全龍，尹熙桐，劉 冬

(齊齊哈爾大學 機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

0 引言

汽車的輕量化設計目前是汽車制造產業(yè)重要的發(fā)展方向，是推動汽車產業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段。汽車輕量化的設計制造方法主要包括三類，即結構、材料及工藝輕量化。而其中開發(fā)新型材料和設計新型結構是實現(xiàn)汽車輕量化最主要的途徑[1]。此外，材料與結構通過塑性變形、扭轉及斷裂等方式來吸收或耗散碰撞能量的方法在航空航天、汽車和軍工防護等領域早已廣泛而深入的應用。金屬材料優(yōu)異的塑性變形特性，使其成為能量吸收裝置中最常用的材料。蜂窩管由于結構簡單易于加工、成本低等優(yōu)點，一直以來是研究的熱點。金屬鋁蜂窩管由于質量輕，具有較高的比強度和比剛度。但是，從實際承載和耐撞性能測試的結果來看，單一鋁蜂窩材料結構的能量吸收效率并不高，若作為汽車結構中防撞梁使用必須提高其耐撞性。硬質聚氨酯泡沫塑料是典型的高分子多孔材料，具備良好的抗沖擊和能量吸收能力，適合作為能量吸收的核心材料。更為重要的優(yōu)勢是聚氨酯泡沫加工成型簡單，作為蜂窩管的填充材料能以液體形式嵌入胞元結構中，然后再發(fā)泡成型進行無縫填充。另一方面，聚氨酯泡沫與常規(guī)的泡沫鋁等吸能材料相比較，成本低廉，密度更小，適合作為輕質填充材料使用。

近年來，國內外學者對蜂窩結構的研究大多關于蜂窩內部孔徑、壁厚等方向，認為其有良好的吸收能量的特點。謝柱堅等[2]通過實驗和數(shù)值計算，分析了不同蜂窩孔壁邊長和不同孔壁厚度對聚氨酯—蜂窩復合結構的吸能特性影響。宋玉環(huán)等[3]基于不同的吸能效率，研究了蜂窩鋁和聚氨酯復合后的壓縮力學行為及緩沖吸能特性。liu等[4]研究了不同密度的聚丙烯泡沫填充鋁蜂窩復合材料后力學性能的影響，并進行了靜態(tài)壓縮試驗，同時指出橫向壓縮時增強效果較軸向壓縮更為顯著。

為了將聚氨酯泡沫填充鋁蜂窩復合吸能結構應用到汽車車身結構中實現(xiàn)輕量化設計的目的，同時提高車身的強度和耐撞吸能的能力。本文以正六邊形蜂窩結構為基礎，與硬質聚氨酯泡沫復合，以充分利用材料間的性能優(yōu)勢提高結構整體的承載力以及結構的耐撞性。通過平均壓潰荷載，總能量吸收和比吸能，分析填充材料對結構裝置耐撞吸能性能的影響。

1 理論分析

1.1 壓縮彈性模量

如圖1所示，蜂窩夾層板受壓時，設壓縮載荷大小為p，軸向總應變?yōu)棣牛涓C芯的應變?yōu)棣舲，壓縮后面板軸向應變?yōu)棣舊z，芯層軸向應變?yōu)棣與z。面板的厚度為t，芯層厚度為h，則在軸向載荷下的相對伸長間關系滿足[5]

圖1 夾芯板Z向受壓圖

εz(h+2t)=2εfzt+εczh

(1)

將蜂窩芯層看成是各向同性均質材料，則面板與芯層承受的應力相同，即

σz=σfz=σcz

(2)

式中σz—夾芯板Z向總應力；

σfz—面板Z向應力；

σcz—芯層Z向應力。

根據胡克定律，代入得

(3)

式中Ez—夾芯板Z向壓縮彈性模量；

Efz—面板的Z向壓縮彈性模量；

Ecz—芯層的Z向壓縮彈性模量。

1.2 耐撞吸能指標

為了分析評價結構壓潰過程的耐撞吸能特性，需要首先研究確定耐撞吸能特性的評價標準。根據試驗機測試獲得的荷載—位移數(shù)據，計算出耐撞性評價相關參數(shù)[6]。這些參數(shù)包括平均壓潰載荷Pm、壓潰力效率CFE、總吸能EA、比吸能SEA等。

1.2.1 總吸能EA

EA是表征結構通過塑性變形來耗散能量的能力，是結構在整個沖擊過程中吸收的總能量，EA的數(shù)值越大代表著結構的能量吸收能力越強。它可以由相應的荷載—位移曲線下的積分面積確定，并可以使用如下表達式進行計算

(4)

式中F(x)—碰撞過程的瞬時沖擊力；

d—有效壓縮位移。

1.2.2 平均壓潰載荷Pm

平均壓潰載荷Pm定義為總吸能EA與有效壓縮位移d之間的比值，表征了結構在單位壓縮位移下的能量吸收能力。計算公式如下

(5)

1.2.3 比吸能SEA

比吸能SEA表示有效有效壓縮位移內吸收的總能量與結構變形部分質量m的比值，即表征結構材料單位質量吸收能量的能力，是衡量結構材料吸能特性的重要指標之一。它可以由下式計算

(6)

2 試驗設計及參數(shù)

2.1 試驗材料

蜂窩鋁基體材料為3003鋁合金，材料密度為2 800 kg·m-3，彈性模量力74 GPa，屈服強度為185 MPa。蜂窩結構的具體規(guī)格：孔徑D=6.9 mm、邊長a=4 mm、鋁箔厚度，t=0.05 mm、異面厚度為16 mm，平面尺寸為60 mm×60 mm的正方形。制備聚氨酯泡沫的黑料成分為多苯基多亞甲基的異氰酸醋，白料成分為聚醚多元醇。鋁板型號1060，尺寸60 mm×60 mm×0.8 mm，密度為2 700 kg·m-3。

2.1 聚氨酯—蜂窩復合結構的制備方法

分別按照三種比例5∶5、5∶6、5∶7混合白料與黑料(黑料需要預先在45 ℃恒溫箱里預熱30 min)，高速攪拌形成預聚體倒入鋁蜂窩結構中進行發(fā)泡，形成聚氨酯蜂窩復合結構。常溫放置48 h后，用美工刀切割，打磨成規(guī)格為60 mm×60 mm×16 mm試件。采用環(huán)氧樹脂膠將鋁板粘貼到填充鋁蜂窩上下表面上，制備蜂窩夾芯板結構，試件形貌如圖2所示。采用CMT5105型電子萬能試驗機，壓頭以2 mm·min-1的恒定速度向下進行壓縮試驗，結束位移為14 mm。

圖2 試件形貌圖

3 結果分析與討論

3.1 失效變形模式

如圖3、圖4為空蜂窩和填充蜂窩結構壓縮過程的變形模式圖，空蜂窩結構在載荷的作用下中下部較早發(fā)生壓潰的塑性變形，產生大量褶皺并隨時間的持續(xù)增加，褶皺的范圍不斷擴展，最終胞元結構發(fā)生軸向鉆石模式的壓潰。與空蜂窩變形相比，填充蜂窩結構的塑形變形能力變差，聚氨酯泡沫的填充抑制了鋁蜂窩薄壁胞元結構褶皺的增加幅度，褶皺的層數(shù)明顯減少，因此褶皺層與層間充滿了泡沫，其層間距被增大。

圖3 空蜂窩壓縮變形模式圖

圖4 填充蜂窩壓縮變形模式圖

3.2 承載力及吸能特性

圖5給出了試件壓縮過程的載荷—位移曲線。圖5a純泡沫的試驗結果可以看出，隨著黑料的增加，聚氨酯泡沫的密度增大使其強度增大。將純泡沫添加到蜂窩管中后，可明顯發(fā)現(xiàn)填充結構的承載性能獲得大幅度提升，平臺階段的屈服載荷遠大于空管，且與泡沫密度成正比關系，如圖5b。圖5c蜂窩填充夾心板的壓縮測試也證明了同樣的規(guī)律，同時鋁板用膠層與填充蜂窩間的粘結，導致夾芯板的承壓能力得到進一步提高。

圖5 試件的載荷—位移曲線

從耐撞性指標進行分析，對比表1 中各試件的計算結果，與純泡沫1相比，純泡沫2、3的總吸能和平均壓潰荷載分別提高了22.37%、44.03%。說明隨著泡沫密度的增大，泡沫抵抗變形的能力不斷增強。與空鋁蜂窩4相比，填充蜂窩結構5、6和7總吸能分別提高了51.39%、87.65%和97.33%，證明了聚氨酯泡沫對鋁蜂窩管能量吸收的能力具有顯著的增強效果。從計算的結果也顯示出夾芯板較填充蜂窩結構在總吸能和承載能力方面的優(yōu)勢，但是由于夾芯板結構的質量較大，因而比吸能較小，能量吸收的效率下降。

表1 耐撞性指標對比

4 結論

本文選用以聚氨酯泡沫填充正六邊形鋁蜂窩形成的復合結構作為研究對象，分析了泡沫密度、鋁板結構參數(shù)變化對其耐撞吸能特性的影響。對比空心蜂窩夾芯板結構與聚氨酯泡沫填充蜂窩夾芯板結構的緩沖吸能特性，比較其平均壓潰荷載，總能量吸收和比吸能，分析填充材料對結構裝置耐撞吸能性能的影響。在單軸壓縮條件下，對純聚氨酯泡沫、填充蜂窩芯及蜂窩夾芯板結構分別進行了壓縮測試。研究結果表明，采用輕型聚氨酯泡沫作為蜂窩芯填料，顯著增強了鋁蜂窩結構的承載和能量吸收能力，通過改變泡沫的密度，使總吸能EA最大值提高了97.33%，比吸能最大值達到14.920。制備的聚氨酯—蜂窩復合結構是提高汽車耐撞性與安全性、實現(xiàn)輕量化設計目的重要手段。