一種內(nèi)嵌CFRP的汽車鋁合金前縱梁吸能特性研究?

姚 威，宋 凱，吳永強(qiáng)，何智成，王 振

(湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

前言

前縱梁設(shè)計對汽車碰撞安全性設(shè)計十分重要。汽車正面碰撞中，前縱梁、防撞橫梁和吸能盒等結(jié)構(gòu)吸能占正撞過程中吸收總能量50%以上[1]。CFRP作為較為理想的輕量化材料，越來越多地應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)中。文獻(xiàn)[2]中研究了準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)條件下CFRP薄壁方梁中CFRP纖維鋪層角度等幾何參數(shù)以及壓縮應(yīng)變率對CFRP梁失效模式和吸能特性的影響。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]中通過對比研究，發(fā)現(xiàn)鋼-CFRP混合梁軸向吸能特性優(yōu)于兩種材料單一設(shè)計的梁結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[5]中基于動態(tài)軸向沖擊試驗，研究了CFRP鋪層方式和鋪層厚度對鋁合金-CFRP混合吸能盒吸能特性的影響機(jī)制。文獻(xiàn)[6]中對內(nèi)嵌和外表包覆CFRP層合板的鋁合金梁開展軸承載荷試驗，表明內(nèi)嵌CFRP層合板對腹板承載能力的提高大于外表包覆形式。

本文中選取斜紋機(jī)織CFRP層合板和鋁合金前縱梁作為研究對象，探究內(nèi)嵌CFRP及其邊界條件和厚度對鋁合金前縱梁吸能特性的影響，并分析了斜向沖擊下前縱梁的吸能特性。結(jié)果表明，合適的內(nèi)嵌CFRP可明顯提高軸向沖擊下前縱梁峰值載荷與總吸能，改善鋁合金前縱梁沖擊壓潰模式和吸能效果。

1 仿真與結(jié)果分析

1.1 內(nèi)嵌CFRP的汽車鋁合金前縱梁結(jié)構(gòu)

內(nèi)嵌CFRP的汽車鋁合金前縱梁由鋁合金縱梁和CFRP單向?qū)雍习褰M成，結(jié)構(gòu)與尺寸如圖1所示。CFRP層合板裝配形式分為A型和B型。如圖1(b)所示，A型裝配中兩塊完整CFRP層合板平行嵌入縱梁對角面。如圖1(c)所示，在B型裝配中，層合板沿中心線經(jīng)過切割，兩塊層合板倒置交叉組合成十字形嵌入縱梁。在層合板結(jié)構(gòu)設(shè)計時，以前縱梁軸向為CFRP的0°方向，鋪層數(shù)有6層和4層兩種方式，對應(yīng)厚度分別為1.5和1.0mm。文中所設(shè)計的CFRP層合板共有6層A型、6層B型和4層B型3種結(jié)構(gòu)形式，便于區(qū)分，以下分別簡稱為6A CFRP，6B CFRP 和4B CFRP。

圖1 鋁合金前縱梁和CFRP層合板裝配形式

1.2 材料參數(shù)測定

CFRP呈現(xiàn)各向異性材料特性，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[7-8]，對斜紋機(jī)織T300碳纖維/E51環(huán)氧樹脂層合板開展力學(xué)性能測試，獲取材料參數(shù)如表1所示。

表1 斜紋機(jī)織碳纖維層合板力學(xué)性能

表中各參數(shù)下標(biāo)1和2分別表示層合板纖維0°和90°方向參數(shù)值。前縱梁中鋁合金材料為6063-T5，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9]，在準(zhǔn)靜態(tài)條件下進(jìn)行拉伸試驗，獲取真實應(yīng)力應(yīng)變曲線。在模擬時，考慮應(yīng)變率影響，采用Cowper-Symonds公式進(jìn)行換算：

式中：εe為真實應(yīng)變；σe為真實應(yīng)力；σ0為靜態(tài)屈服應(yīng)力，為材料經(jīng)驗常數(shù)，D＝1288000s-1，q＝4[10]。

1.3 有限元模型

鋁合金縱梁不是理想幾何體，引入基于縱梁屈曲模態(tài)的節(jié)點位移作為縱梁初始幾何缺陷[11]。接觸采用通用接觸，摩擦因數(shù)為0.1。軸向沖擊通過帶有M＝200kg集中質(zhì)量的剛性平面實施，參照標(biāo)準(zhǔn)[12]，初始速度設(shè)置為14m/s。CFRP層合板厚度不足長度方向的1/100，故可視為平面應(yīng)力問題，采用S4單元模擬，失效采用改進(jìn)的Hashin[13]二維損傷準(zhǔn)則，通過編寫ABAQUS用戶自定義場變量子程序VUSDFLD[14]實現(xiàn)。

1.4 仿真結(jié)果

圖2為前縱梁仿真結(jié)果。單一鋁合金縱梁在沖擊載荷下呈現(xiàn)吸能穩(wěn)定的漸進(jìn)屈曲，形態(tài)對稱；內(nèi)嵌CFRP的鋁合金縱梁受內(nèi)部CFRP層合板影響，其漸進(jìn)屈曲不完全對稱。圖3為縱梁軸向沖擊仿真載荷與吸能隨位移變化曲線。內(nèi)嵌CFRP的鋁合金縱梁峰值載荷較單一鋁合金前縱梁大幅增加，吸能顯著提高，表明內(nèi)嵌CFRP可以改善鋁合金前縱梁的吸能特性。

2 軸向沖擊試驗與結(jié)果分析

2.1 軸向沖擊試驗

通過試制完成鋁合金前縱梁樣件制作，軸向沖擊試樣包括：單一鋁合金前縱梁、內(nèi)嵌6A CFRP鋁合金前縱梁、內(nèi)嵌6B CFRP鋁合金前縱梁和內(nèi)嵌4B CFRP鋁合金前縱梁。對鋁合金前縱梁樣件進(jìn)行落錘試驗，落錘質(zhì)量為200kg，落錘沖擊初始速度為14m/s，試驗過程由一臺拍攝幀率500fps的高速攝像機(jī)記錄，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每毫秒采集1 000個數(shù)據(jù)點，以繪制載荷 位移曲線。

圖2 前縱梁仿真變形圖

圖3 軸向沖擊仿真載荷與吸能隨位移變化曲線

2.2 軸向試驗結(jié)果分析

經(jīng)過軸向落錘沖擊，單一鋁合金縱梁在沖擊載荷下的壓潰模式如圖4所示，呈現(xiàn)典型的屈曲折疊形式。沖擊過程中幾種縱梁沖擊試驗載荷 位移曲線如圖5所示。單一鋁合金前縱梁受到軸向沖擊后，碰撞力迅速出現(xiàn)峰值。碰撞力隨后回落，并隨著縱梁變形增大，發(fā)生塑性屈曲，屈曲過程中碰撞力產(chǎn)生波動，進(jìn)而形成典型屈曲折疊形式。內(nèi)嵌CFRP的鋁合金前縱梁，軸向沖擊試驗結(jié)果如圖6～圖8所示。其鋁合金縱梁也發(fā)生了典型的漸進(jìn)屈曲折疊現(xiàn)象。內(nèi)嵌CFRP的鋁合金縱梁載荷位移曲線變化趨勢與單一鋁合金縱梁變化相似，也印證了內(nèi)嵌CFRP的鋁合金縱梁發(fā)生折疊現(xiàn)象的合理性。內(nèi)嵌A型和B型CFRP的前縱梁頂端均發(fā)生了CFRP破碎現(xiàn)象，并伴隨有折彎，表明在沖擊過程中CFRP通過破碎和折彎等方式吸收了碰撞能量。

圖4 單一鋁合金縱梁軸向壓潰模式

圖5 軸向沖擊試驗載荷位移曲線

圖6 內(nèi)嵌6A CFRP鋁合金縱梁軸向試驗結(jié)果

2.3 吸能特性評價

為對比幾種前縱梁的吸能特性，引入平均沖擊載荷Pmean，即單位變形長度的能量吸收比；比吸能ESEA，即結(jié)構(gòu)變形范圍內(nèi)單位質(zhì)量所吸收的能量；碰撞力效率ηCFE，即平均載荷與最大載荷的比值，作為前縱梁吸能特性的評價指標(biāo)。表2統(tǒng)計了幾種前縱梁軸向沖擊試驗中的吸能指標(biāo)值。

通過對比分析，內(nèi)嵌6ACFRP，6BCFRP和4B CFRP的鋁合金縱梁相對單一鋁合金縱梁比吸能分別提高32%，20%和5%，碰撞力效率分別提高13%，35%和15%。對比單一鋁合金前縱梁吸能結(jié)果，內(nèi)嵌CFRP可以顯著改善鋁合金縱梁的吸能特性。另一方面，根據(jù)文獻(xiàn)[15]和文獻(xiàn)[16]中的研究結(jié)果可知，內(nèi)嵌CFRP平板結(jié)構(gòu)可簡化為多個矩形平板區(qū)域，每個平板區(qū)域與載荷方向平行的邊界條件可簡化為單邊簡支和雙邊簡支，并且層合板在改變橫向支撐條件下，比吸能隨自由邊長度的增加而減小，隨后趨于穩(wěn)定。因此，落錘試驗中CFRP平板邊界條件有差異，A型CFRP層合板和B型CFRP呈現(xiàn)不同的吸能特性。6A CFRP層合板邊界條件為雙邊簡支，橫向支撐相對充分。而B型CFRP層合板平板中心有自由邊，使CFRP平板在平行載荷方向含有自由邊界。根據(jù)表2中的吸能特性數(shù)據(jù)對比，內(nèi)嵌6A CFRP鋁合金縱梁比吸能較6B CFRP試樣提高10%，表明加強(qiáng)CFRP橫向支撐可提高縱梁比吸能。同時，內(nèi)嵌6A CFRP和6B CFRP鋁合金縱梁的比吸能分別比4B CFRP試樣提高26%和13%，表明在一定范圍內(nèi)，增加CFRP厚度可提高前縱梁比吸能。

圖7 內(nèi)嵌6B CFRP鋁合金縱梁軸向試驗結(jié)果

圖8 內(nèi)嵌4B CFRP鋁合金縱梁軸向試驗結(jié)果

3 結(jié)果討論與分析

圖9 單一鋁合金縱梁載荷 位移曲線對比

3.1 仿真與試驗結(jié)果對比分析

圖9～圖12為前縱梁載荷 位移仿真曲線與試驗結(jié)果對比。仿真初始峰值高于試驗結(jié)果，原因是仿真中材料是均一、無缺陷的，縱梁是理想幾何體，不同于實際中的材料和縱梁試樣。此外，試驗曲線經(jīng)過濾波處理，導(dǎo)致初始峰值載荷降低。但峰值載荷持續(xù)的時間很短，對整個過程吸能和平均載荷影響不大。

表2 單一鋁合金縱梁和內(nèi)嵌CFRP的鋁合金縱梁軸向吸能特性對比

圖10 內(nèi)嵌6A CFRP鋁合金縱梁載荷 位移曲線對比

圖11 內(nèi)嵌6B CFRP鋁合金縱梁載荷 位移曲線對比

圖12 內(nèi)嵌4B CFRP鋁合金縱梁載荷 位移曲線對比

圖13 為仿真與試驗吸能值對比，兩者誤差在10%以內(nèi)。表3為仿真與試驗平均沖擊載荷結(jié)果的對比，相對誤差在8%以內(nèi)。

3.2 斜向沖擊下混合前縱梁吸能分析

由前縱梁沖擊仿真與試驗結(jié)果對比可知，所建立的前縱梁仿真模型具有較好精度，可用于前縱梁吸能特性分析。為更好地分析內(nèi)嵌CFRP的鋁合金前縱梁吸能特性，在斜向沖擊下進(jìn)行前縱梁吸能特性研究，設(shè)定偏斜角度為10°。

圖13 前縱梁軸向沖擊吸能仿真與試驗對比

表3 試樣軸向沖擊仿真和試驗平均載荷對比

圖14 4種前縱梁在斜向沖擊下的變形

4種前縱梁在斜向沖擊過程中的變形如圖14所示。單一鋁合金前縱梁和內(nèi)嵌6A型CFRP前縱梁在碰撞過程中發(fā)生折彎，折彎區(qū)域分別如圖14(a)和圖14(b)所示，折彎部分在前縱梁底部。單一鋁合金前縱梁由于缺少足夠的橫向支撐，在沖擊載荷下發(fā)生折彎失穩(wěn)。內(nèi)嵌6A型CFRP鋁合金前縱梁只在一個對角上由CFRP平板提供橫向支撐，在碰撞仿真過程中，也發(fā)生了折彎現(xiàn)象。而內(nèi)嵌6B型CFRP和4B型CFRP的鋁合金前縱梁，CFRP呈交叉分布，對鋁合金前縱梁在斜向沖擊過程中具有良好的支撐作用，使前縱梁在斜向沖擊時保持足夠穩(wěn)定性，呈現(xiàn)出較好的壓潰變形模式。

前縱梁在沖擊過程中碰撞力變化和吸能分別如圖15和圖16所示。單一鋁合金前縱梁和內(nèi)嵌6A型CFRP鋁合金前縱梁在發(fā)生折彎后碰撞力迅速降低，前者碰撞力峰值低于后者。內(nèi)嵌6B型CFRP和4B型CFRP鋁合金前縱梁的碰撞力在出現(xiàn)峰值之后，趨于穩(wěn)定，在沖擊過程中能更好吸收碰撞能量。單一鋁合金前縱梁和內(nèi)嵌6A型CFRP鋁合金前縱梁由于碰撞前期在斜向載荷下發(fā)生折彎，故總體吸能比內(nèi)嵌B型CFRP鋁合金少。而內(nèi)嵌B型CFRP鋁合金前縱梁在沖擊過程中呈現(xiàn)良好的壓潰模式，吸能效果較好。沖擊過程中，4種前縱梁吸能情況對比如表4所示。

圖15 前縱梁在斜向沖擊下碰撞力對比

圖16 前縱梁在斜向沖擊下吸能對比

表4 前縱梁斜向沖擊吸能對比

單一鋁合金前縱梁和內(nèi)嵌6A型CFRP鋁合金前縱梁由于過早發(fā)生碰撞折彎，總吸能和比吸能均明顯低于內(nèi)嵌B型CFRP前縱梁。內(nèi)嵌6A型CFRP鋁合金前縱梁總吸能高于單一鋁合金前縱梁，表明CFRP對鋁合金前縱梁吸能有一定的提升；但比吸能低于單一鋁合金梁，表明在斜向沖擊下，CFRP吸能效果不好。內(nèi)嵌6B型CFRP前縱梁總體吸能比內(nèi)嵌4B型CFRP前縱梁提升6.6%，比吸能二者相當(dāng)，表明在斜向沖擊下，B型CFRP厚度由1.0變?yōu)?.5mm對鋁合金前縱梁吸能效果的提升不明顯。

4 結(jié)論

本文中提出一種內(nèi)嵌CFRP的汽車鋁合金前縱梁結(jié)構(gòu)，對單一鋁合金縱梁和內(nèi)嵌CFRP的鋁合金縱梁軸向沖擊過程進(jìn)行仿真和試驗研究。結(jié)果表明：內(nèi)嵌CFRP可顯著改善汽車鋁合金前縱梁吸能特性，比吸能和碰撞力效率最大提高32%和35%。

對比仿真和試驗結(jié)果，二者屈曲形態(tài)和載荷 位移曲線吻合，平均載荷相對誤差不超過8%，證明仿真方法可行，滿足工程應(yīng)用要求。

CFRP邊界條件和厚度對鋁合金縱梁吸能特性提高程度有影響：加強(qiáng)CFRP橫向支撐可以提高縱梁比吸能；在一定范圍內(nèi)，增加CFRP厚度可提高縱梁比吸能。

在斜向沖擊下，鋁合金前縱梁發(fā)生折彎，導(dǎo)致吸能效果差，具有良好橫向支撐的CFRP內(nèi)核結(jié)構(gòu)可改善鋁合金前縱梁折彎現(xiàn)象，使呈現(xiàn)出較好的壓潰模式，顯著提升前縱梁吸能效果。

后續(xù)工作將著重研究不同角度的斜向沖擊對鋁合金縱梁吸能特性的影響，以指導(dǎo)汽車前縱梁吸能特性的設(shè)計。

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