玄武巖纖維／鋁合金層合板低速?zèng)_擊性能及應(yīng)用研究*

崔 岸，楊偉麗，程 普，金偉光，徐曉倩，劉天賜，黃顯晴

（1.吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025； 2.吉林通鑫玄武巖科技股份有限公司，通化 134000）

前言

纖維金屬層合板是金屬或合金材料與纖維復(fù)合材料通過(guò)交替層鋪，在特定溫度和壓力作用下結(jié)合而成的新型超混雜復(fù)合材料。其整體性能不僅僅是兩種或多種性能的簡(jiǎn)單疊加，而是多種材料性能互補(bǔ)形成的新型復(fù)合材料，具有更高的比強(qiáng)度、比彈性模量和能量吸收特性，因此在汽車(chē)應(yīng)用上有很大潛力［1-2］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于纖維金屬層合板進(jìn)行了一系列的研究。文獻(xiàn)［3］中利用Zig-Zag薄板理論，對(duì)纖維金屬層合板進(jìn)行彈丸偏心低速?zèng)_擊模擬分析，研究了層合板厚度、彈丸半徑、拋射速度以及偏心參數(shù)對(duì)纖維金屬層合板的撓度和接觸力的影響。文獻(xiàn)［4］中采用內(nèi)聚力模型，對(duì)兩種鋪層結(jié)構(gòu)的碳纖維鋁合金層合板在低速?zèng)_擊下的分層損傷進(jìn)行模擬研究，并與纖維層合板對(duì)比分析吸能效果。文獻(xiàn)［5］中研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的金剛石微粉對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)金屬層合板力學(xué)性能的影響，結(jié)果顯示添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%金剛石微粉的層合板在拉伸、壓縮和彎曲力學(xué)性能上表現(xiàn)較突出。文獻(xiàn)［6］中使用兩種沖頭對(duì)玄武巖纖維金屬層合板進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，從首次裂紋和穿透厚度的能量閾值、沖擊能量的吸收和凹陷深度3個(gè)方面進(jìn)行沖擊損傷評(píng)估。文獻(xiàn)［7］中對(duì)玻璃纖維金屬層合板進(jìn)行高速?zèng)_擊，研究了平頭和錐形沖頭對(duì)彈道極限的影響，分析了層合板的失效模式和能量吸收，結(jié)果表明錐形沖頭對(duì)層合板造成的損傷程度和彈道極限更大。文獻(xiàn)［8］中對(duì)玻璃纖維金屬層合板粘接界面進(jìn)行研究，結(jié)果表明適當(dāng)提高金屬表面粗糙度可以增加界面粘結(jié)度。文獻(xiàn)［9］中基于Hashin失效準(zhǔn)則對(duì)玻璃纖維鋁合金圓筒進(jìn)行漸進(jìn)損傷分析，結(jié)果表明Hashin失效準(zhǔn)則能很好地模擬纖維失效。文獻(xiàn)［10］中分別對(duì)鋁合金進(jìn)行機(jī)械研磨、堿性腐蝕和蝕刻預(yù)處理，從而研究預(yù)處理對(duì)纖維金屬層合板彎曲性能的影響。

當(dāng)前對(duì)纖維金屬層合板的研究大多側(cè)重碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維，針對(duì)玄武巖纖維金屬層合板的研究有一定的局限性，特別是單層金屬板的纖維金屬層合板的研究，尤其在汽車(chē)車(chē)身領(lǐng)域的應(yīng)用研究并不多見(jiàn)。因此有必要對(duì)玄武巖纖維金屬層合板展開(kāi)廣泛和深入的探索。

本文中采用玄武巖纖維和鋁合金制備一種纖維金屬層合板，通過(guò)試驗(yàn)研究其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，建立纖維金屬層合板低速?zèng)_擊有限元模型，分析不同鋪層結(jié)構(gòu)和不同沖擊載荷角度下的層合板低速抗沖擊特性。最后，將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于某轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板，通過(guò)靜態(tài)剛度和行人頭部碰撞分析，探討其應(yīng)用效果。

1 樣件制備與性能試驗(yàn)

1.1 樣件制備

采用吉林通鑫玄武巖科技股份有限公司提供的玄武巖纖維復(fù)合材料，鋁合金薄板采用AL5052，粘接劑選用環(huán)氧樹(shù)脂膠，試驗(yàn)設(shè)備包括電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和落錘試驗(yàn)機(jī)，如圖1和圖2所示。

圖1 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

圖2 落錘試驗(yàn)機(jī)

由于纖維復(fù)合材料單向?qū)雍习寰哂懈飨虍愋?，因此將纖維長(zhǎng)度方向定為縱向；垂直于纖維長(zhǎng)度方向定為橫向。試驗(yàn)樣件如圖3和圖4所示，樣件尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 縱向拉伸樣件

圖4 橫向拉伸樣件

表1 試驗(yàn)樣件鋪層角度與尺寸

將鋁合金薄板浸入丙酮溶液進(jìn)行去污處理，然后在堿溶液中進(jìn)行脫脂處理，經(jīng)硝酸溶液脫氧處理后，再浸入磷酸溶液進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理，最后將樣件表面洗凈烘干，用環(huán)氧樹(shù)脂膠將玄武巖纖維層合板和鋁合金板在恒溫箱中粘接固化成型。

1.2 基本力學(xué)性能試驗(yàn)

分別對(duì)玄武巖纖維／鋁合金層合板樣件進(jìn)行拉伸、壓縮、剪切、彎曲和落錘沖擊試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)精度，取3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值為最終結(jié)果。

1.2.1 拉伸、壓縮、剪切試驗(yàn)

在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)玄武巖纖維層合板進(jìn)行拉伸、壓縮和剪切試驗(yàn)，放置樣件并調(diào)整拉伸樣件夾持長(zhǎng)度，設(shè)置試驗(yàn)機(jī)拉伸速率2 mm／min，對(duì)樣件進(jìn)行試驗(yàn)，獲得玄武巖纖維層合板力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

表2 玄武巖纖維層合板力學(xué)性能參數(shù)

1.2.2 彎曲試驗(yàn)

在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，將夾具跨距調(diào)整為40 mm，放置試驗(yàn)樣件并調(diào)整壓頭與彎曲樣件接觸，設(shè)置試驗(yàn)機(jī)壓頭下降速率為2 mm／min。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。載荷開(kāi)始呈線(xiàn)性上升，當(dāng)達(dá)到某一載荷值時(shí)，纖維層合板的上升速率明顯下降，纖維金屬層合板仍以較高速率繼續(xù)上升，當(dāng)達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，載荷急速下降，樣件發(fā)生破壞?？梢钥闯隼w維金屬層合板的最大彎曲載荷相比于纖維層合板有明顯提高。

圖5 彎曲位移—載荷曲線(xiàn)

1.2.3 沖擊試驗(yàn)

采用最大沖擊能量為300 J的落錘試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。沖頭和傳感器質(zhì)量為4.52 kg，沖擊能量為10 J。獲得沖擊載荷—時(shí)間曲線(xiàn)如圖6所示?？芍?dāng)曲線(xiàn)達(dá)到峰值力后，會(huì)保持一段波動(dòng)，然后接觸力逐漸下降。相比于纖維層合板而言，纖維金屬層合板的接觸力持續(xù)時(shí)間較短，沖擊能量耗散更快。

圖6 沖擊載荷—時(shí)間曲線(xiàn)

2 低速?zèng)_擊力學(xué)性能仿真分析

2.1 有限元模型建立與驗(yàn)證

在Abaqus中建立層合板低速?zèng)_擊模型，如圖7所示。層合板尺寸為110 mm×100 mm，采用Cohesive單元來(lái)模擬界面層，單元厚度為0.01 mm，鋪層方式為［0°／90°／45°／-45°］2，沖頭為半球型，質(zhì)量為4.52 kg，沖擊能量為10 J，上、下夾具采用相框式結(jié)構(gòu)，周邊加持長(zhǎng)度為12 mm。纖維層采用8層連續(xù)殼單元，金屬采用實(shí)體單元，網(wǎng)格大小為1 mm×1 mm。

圖7 纖維金屬層合板沖擊模型示意圖

沖擊仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。經(jīng)計(jì)算纖維層合板的誤差為2.4%，纖維金屬層合板的誤差僅為1.7%，因此認(rèn)為仿真與試驗(yàn)結(jié)果的誤差較小，模型符合要求。

表3 沖擊試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比 N

2.2 鋪層結(jié)構(gòu)對(duì)低速抗沖擊性能的影響分析

將鋁合金分別位于頂層、中間層和底層進(jìn)行沖擊仿真分析。從能量吸收、接觸力和損傷程度3個(gè)方面，分析纖維金屬層合板的抗沖擊特性。為縮短仿真時(shí)間，層合板尺寸為50 mm×50 mm，沖擊能量采用5 J。仿真結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖8 載荷—時(shí)間曲線(xiàn)

圖9能量—時(shí)間曲線(xiàn)

圖8 為載荷—時(shí)間曲線(xiàn)，圖9為能量 時(shí)間曲線(xiàn)，圖10為第1層纖維層的損傷云圖。可以看出，當(dāng)鋁合金位于頂層時(shí)，沖擊接觸力和能量吸收最大，纖維層的損傷程度最小，這是由于當(dāng)層合板受到低速?zèng)_擊時(shí)，頂層鋁合金塑性變形較大，能量吸收主要來(lái)源于頂層鋁合金的塑性變形，吸收能量較多，保護(hù)了纖維層，所以纖維層損傷程度很小；當(dāng)鋁合金位于纖維層中間和底部時(shí)，沖擊接觸力和能量吸收減小，纖維層的損傷程度增加，這時(shí)能量吸收來(lái)源于纖維和基體失效，金屬塑性變形受到纖維材料抑制，從而使吸收能量減小。

從能量吸收、層合板剛度和纖維層損傷程度3個(gè)方面綜合考慮，采用鋁合金位于頂層的層合板結(jié)構(gòu)進(jìn)行后續(xù)研究。

2.3 沖擊角度對(duì)低速抗沖擊性能的影響分析

選取30°、45°、60°、90°4種沖擊角度，初始沖擊能量為5 J，分別進(jìn)行層合板低速?zèng)_擊仿真。

圖10 不同金屬層位置時(shí)第1層纖維層的損傷云圖

獲得的不同沖擊角度下的接觸力— 時(shí)間曲線(xiàn)和能量— 時(shí)間曲線(xiàn)如圖11和圖12所示?？梢钥闯?，隨著沖頭沖擊角度的增大，層合板的最大沖擊接觸力和吸收能量也隨之增大。

圖11接觸力—時(shí)間曲線(xiàn)

圖13 為第1層纖維層的損傷云圖。從失效面積上可以看出，隨著角度的增加，纖維層損傷面積增大，當(dāng)沖擊方向?yàn)?0°時(shí)，纖維層損傷面積最大；從損傷形狀上可以看出，當(dāng)沖擊角度為30°時(shí)，層合板發(fā)生損傷的位置靠近沖擊邊緣，且損傷形狀不對(duì)稱(chēng)；當(dāng)沖擊角度為90°時(shí)，層合板發(fā)生損傷的位置從中心擴(kuò)散，且損傷形狀成中心對(duì)稱(chēng)；主要失效形式是基體拉伸失效，并沿纖維鋪設(shè)方向擴(kuò)展。

圖12 能量—時(shí)間曲線(xiàn)

圖13 不同沖擊角度下第1層纖維層的損傷云圖

3 應(yīng)用實(shí)例仿真分析

將鋁合金板位于頂層的纖維金屬層合板結(jié)構(gòu)應(yīng)用于某發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板，進(jìn)行仿真分析。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩靜態(tài)工況分析

選擇發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖閂工況、彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況進(jìn)行靜態(tài)仿真分析，研究發(fā)動(dòng)機(jī)罩的最大位移、靜剛度等諸多性能指標(biāo)［11-12］。圖14為各工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)罩的應(yīng)力和位移云圖。

圖14 3種工況下發(fā)動(dòng)機(jī)罩的應(yīng)力云圖和位移云圖

分析結(jié)果見(jiàn)表4?？梢钥闯?，在鎖閂工況下纖維金屬層合板發(fā)動(dòng)機(jī)罩最大位移減小了2.33 mm；在扭轉(zhuǎn)工況下最大位移減小了0.75 mm，扭轉(zhuǎn)剛度提高了25.6%；在彎曲工況下最大位移減小了0.06 mm，彎曲剛度提高了 0.4%。最大應(yīng)力為135 MPa，位置在內(nèi)板左前角處，小于材料屈服應(yīng)力，符合要求。

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)罩的分析結(jié)果對(duì)比

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩和行人頭部沖擊器有限元模型的建立

沖擊器有限元模型見(jiàn)圖15。圖中從上到下依次為底板、球體和皮膚。為使仿真更加準(zhǔn)確，3部分均為六面體單元，其中球體和底板采用鋁制材料，皮膚采用黏彈性材料［13］。

圖15 沖擊器有限元模型

建立發(fā)動(dòng)機(jī)罩有限元模型，如圖16所示。由于發(fā)動(dòng)機(jī)罩為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)法規(guī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)行碰撞區(qū)域的劃分，A1～A6為成人頭型沖擊區(qū)域，B1～B6和C1～C6為兒童頭型沖擊區(qū)域。行人頭部沖擊器與發(fā)動(dòng)機(jī)罩碰撞如圖17所示。調(diào)整頭部模型與發(fā)動(dòng)機(jī)罩的相對(duì)位置，使頭部沖擊器有限元模型與發(fā)動(dòng)機(jī)罩的夾角為65°，沖擊速度為35 km／h，并分別約束發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈處、鎖扣處以及左右兩側(cè)與翼子板接觸部分的自由度。

圖16 發(fā)動(dòng)機(jī)罩有限元模型

圖17 沖擊器碰撞示意圖

3.3 頭部沖擊器碰撞評(píng)價(jià)指標(biāo)和仿真結(jié)果

行人與車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)，行人頭部損傷的影響因素主要包括碰撞時(shí)頭部的加速度、碰撞持續(xù)時(shí)間以及頭部與發(fā)動(dòng)機(jī)罩的相對(duì)角度。根據(jù)Euro-NACP和EEVC標(biāo)準(zhǔn)采用頭部損傷指標(biāo)（HIC）來(lái)評(píng)價(jià)行人頭部的損傷，HIC可以通過(guò)下式計(jì)算得出。式中：a為碰撞時(shí)加速度；t1、t2為碰撞過(guò)程中的兩個(gè)時(shí)刻，表示開(kāi)始至結(jié)束兩個(gè)時(shí)刻之間的一段時(shí)間，在該時(shí)間間隔內(nèi)HIC值為最大。獲得的不同區(qū)域沖擊位移云圖和加速度— 時(shí)間曲線(xiàn)如圖18所示。

圖18 不同區(qū)域沖擊位移云圖和加速度—時(shí)間曲線(xiàn)

HIC值見(jiàn)表5。從表5可以看出，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板為纖維金屬層合板時(shí)，各碰撞區(qū)域HIC值均有所下降，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)罩的質(zhì)量減輕約0.55 kg。

表5 碰撞仿真HIC值對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)制備一種玄武巖纖維／鋁合金層合板復(fù)合結(jié)構(gòu)，分析了該結(jié)構(gòu)的拉伸、壓縮、剪切、彎曲和低速?zèng)_擊力學(xué)性能。結(jié)合試驗(yàn)與仿真分析，采用8層連續(xù)殼單元模擬纖維層，建立了纖維金屬層合板有限元模型，并進(jìn)行了驗(yàn)證，從能量吸收、接觸力和損傷程度3個(gè)方面，分析了不同鋪層結(jié)構(gòu)以及不同沖擊角度下玄武巖纖維鋁合金層合板的抗沖擊特性。結(jié)果顯示，當(dāng)鋁合金板位于最頂部時(shí)，層合板受到的沖擊接觸力最大，吸收能量最多，而纖維層的損傷程度最?。浑S著沖頭沖擊角度的增加，層合板受到的最大沖擊接觸力增加，吸收能量增加，纖維層損傷面積增大。將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于某汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)行了靜態(tài)剛度分析和行人頭部保護(hù)性能分析。分析結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)罩扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度均有不同程度的提高，而質(zhì)量有所降低，成人頭部保護(hù)性能得到進(jìn)一步改善。