非均質(zhì)秸稈纖維復(fù)合材料保險杠蒙皮剛度分析

劉軍艦，胡豪勝，周磊，李偉,2a

材料與成形性能

非均質(zhì)秸稈纖維復(fù)合材料保險杠蒙皮剛度分析

劉軍艦1，胡豪勝2a,2b，周磊1，李偉1,2a

（1. 上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2. 武漢理工大學(xué) a. 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室；b. 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070）

研究非均質(zhì)秸稈纖維復(fù)合材料保險杠蒙皮的剛度性能。采用試驗與模擬分析的方法，通過共混擠出與化學(xué)發(fā)泡注塑工藝制備微發(fā)泡秸稈纖維/聚丙烯（SF/PP）復(fù)合材料試樣，通過試驗測試非均質(zhì)結(jié)構(gòu)試樣的力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)，通過有限元分析手段建立非均質(zhì)微發(fā)泡秸稈纖維/PP復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析模型，并分析非均質(zhì)材料保險杠蒙皮的剛度性能。微發(fā)泡秸稈纖維/聚丙烯（SF/PP）復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)有明顯的“三明治”結(jié)構(gòu)特點，秸稈纖維主要分布在外皮層，泡孔主要分布在芯層。將非均質(zhì)秸稈纖維復(fù)合材料保險杠蒙皮近似為3層復(fù)合板結(jié)構(gòu)，建模的剛度分析結(jié)果與試驗測試相差約6%。非均質(zhì)秸稈纖維復(fù)合材料汽車注塑件可近似為3層復(fù)合板結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析，簡化了分析過程，研究結(jié)果可用于指導(dǎo)產(chǎn)品性能評估，提高產(chǎn)品開發(fā)效率。

微發(fā)泡；植物纖維復(fù)合材料；非均質(zhì)；力學(xué)性能

復(fù)合材料由于其組成材料在性能上相互協(xié)調(diào)，具有抗疲勞性能好、比模量高、比強度高、輕質(zhì)及減振性能好等優(yōu)點，在汽車工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。天然植物纖維具有長徑比大、比強度高、比面積較大、密度低及可生物降解等優(yōu)點，因而植物纖維/熱塑性樹脂（PFRPT）復(fù)合材料在汽車零部件制造上具有廣泛的應(yīng)用前景[3]。Ayrilmis等[4]以椰殼纖維代替玻璃纖維來制造復(fù)合材料汽車門飾板，研究了椰殼纖維含量對汽車門內(nèi)飾板力學(xué)性能的變化規(guī)律。周松等[5-6]以竹纖維（BF）/聚丙烯（PP）為對象，研究表明加入馬來酸酐可提升BF/PP復(fù)合材料的力學(xué)性能。Takagi等[7]研究了天然纖維增強復(fù)合材料的功能特性。在交叉層蕉麻纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29%～72%時，復(fù)合材料的拉伸強度近乎線性增加，最大值達(dá)到200 MPa。Deng等[8]研究表明，通過馬來酸酐PP進(jìn)行偶聯(lián)，洋麻纖維（KF）/PP具有較好的力學(xué)性能。張建[9]和朱碧華等[10]研究發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈纖維與樹脂之間的結(jié)合性較好，內(nèi)部缺陷較少。汽車內(nèi)外飾塑料零部件大都采用注塑工藝制備，微發(fā)泡注塑工藝制得的復(fù)合材料制品內(nèi)部具有致密均勻的微孔，密度低、抗沖擊性能較好，是目前汽車內(nèi)外飾塑料制品輕量化的重要途徑[11]。Bledzki等[12-13]研究了植物纖維含量對發(fā)泡后復(fù)合材料的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。呂多軍[14]也研究了發(fā)泡劑和木粉含量對木粉/高密度聚乙烯（HDPE）復(fù)合材料力學(xué)性能、密度和泡孔結(jié)構(gòu)的影響，研究結(jié)果對推動植物纖維復(fù)合材料在汽車零部件上的應(yīng)用起到了較好作用。

將植物纖維復(fù)合材料應(yīng)用在汽車內(nèi)外飾零件上時，零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計需充分考慮材料性能，采用數(shù)值模擬方法分析產(chǎn)品力學(xué)性能是汽車零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的重要手段。目前對于微發(fā)泡植物纖維復(fù)合材料的研究主要集中在材料制備、注塑工藝等方面[15]，對其制品的力學(xué)性能模擬分析尚少見報道。微發(fā)泡復(fù)合材料由于其內(nèi)部的微孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致材料呈現(xiàn)出非均質(zhì)性，其制品的力學(xué)性能如采用整體均質(zhì)材料開展分析將影響結(jié)果的精確度。為更好地滿足微發(fā)泡植物纖維復(fù)合材料制品的設(shè)計需求，文中制備了微發(fā)泡SF/PP復(fù)合材料，測試分析其結(jié)構(gòu)特點，提出將非均質(zhì)微發(fā)泡秸稈纖維/PP復(fù)合材料視為“三明治”結(jié)構(gòu)，簡化力學(xué)分析模型，并分析微發(fā)泡SF/PP復(fù)合材料保險杠蒙皮的力學(xué)性能。

1 試驗

1.1 材料制備與測試

文中以秸稈纖維（SF）和聚丙烯（PP）為試驗材料，采用聚丙烯基材與秸稈纖維母粒共混擠出造粒制備SF/PP復(fù)合材料；添加化學(xué)發(fā)泡劑后注塑成形，制備微發(fā)泡SF/PP測試樣條。采用原材料如表1所示。采用試驗設(shè)備如表2所示。

表1 試驗材料

Tab.1 Experimental materials

表2 試驗設(shè)備與儀器

Tab.2 Experimental equipment and devices

將PP與秸稈纖維母粒干燥后，按一定質(zhì)量比進(jìn)行配比、共混、擠出、造粒。擠出機機頭溫度為180 ℃，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)溫度分別為190，195，195，195 ℃，喂料機轉(zhuǎn)速為5 r/min，主機轉(zhuǎn)速為5.5 r/min。將SF/PP復(fù)合材料烘干2 h后，添加一定質(zhì)量比的發(fā)泡劑AC，混合5 min后注塑成形，制備測試樣條。注塑機各區(qū)溫度依次為180，185，185，185 ℃，注射壓力為70 MPa，冷卻時間為20 s。

按GB/T 1033.1—2008測試密度，按GB/T 1040—2006測試?yán)煨阅?；在偏軸拉伸試驗中，將拉伸試驗的縱向與注塑方向之間的夾角定義為偏軸角，在注塑成形的方塊樣板上機加工裁取獲得偏軸角為0°，45°，90°的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，測試應(yīng)力和應(yīng)變等相關(guān)試驗數(shù)據(jù)[16]；采用GB/T 1449—2005進(jìn)行三點彎曲試驗；采用液氮對樣條進(jìn)行脆斷，然后對樣條斷面進(jìn)行SEM分析。

1.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

PP與SF質(zhì)量比為90︰10，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的AC后注塑得到的樣條斷面SEM圖見圖1。由圖1可知，復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)有明顯的“三明治”結(jié)構(gòu)特點，秸稈纖維主要分布在外皮層，且基本無泡孔，可視為SF/PP復(fù)合材料；泡孔主要分布在芯層，左皮層︰芯層︰右皮層的體積比為2︰5︰2。

圖1 微發(fā)泡SF/PP復(fù)合材料SEM圖

由圖1可知，微發(fā)泡SF/PP材料具有較為明顯的非均質(zhì)性。將皮層與芯層切開分別測試密度，與已有研究結(jié)果[15]對比表明，同樣注塑工藝下，皮層與含22.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）秸稈纖維的SF/PP復(fù)合材料密度相近，芯層與添加7.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的AC發(fā)泡劑的微發(fā)泡PP相近。分析制品性能時，簡化為整體進(jìn)行計算可能會導(dǎo)致分析誤差。因而，文中對汽車保險杠蒙皮注塑產(chǎn)品進(jìn)行力學(xué)分析時，以SF/PP和微發(fā)泡PP分別替代皮層與芯層，將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)視為3層復(fù)合材料板進(jìn)行研究。

1.3 材料力學(xué)性能測試

植物纖維復(fù)合材料具有復(fù)合材料的各向異性特征，需進(jìn)行偏軸拉伸試驗測得材料的力學(xué)特性。試驗采用GB/T 1040.1—2018拉伸標(biāo)準(zhǔn)試樣，在偏軸拉伸試驗中，將拉伸試驗的縱向與注塑方向之間的夾角定義為偏軸角，采用電子試驗機來進(jìn)行試驗并記錄應(yīng)力和應(yīng)變等相關(guān)試驗數(shù)據(jù)。圖2為SF/PP材料偏軸拉伸與微發(fā)泡PP的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變。由圖2a可知，SF/PP材料在0°，45°，90°的拉伸強度具有明顯差異，呈現(xiàn)明顯的各向異性。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可計算SF/PP材料和微發(fā)泡PP材料的相關(guān)力學(xué)參數(shù)，用于后續(xù)保險杠蒙皮剛度分析。

植物纖維發(fā)泡復(fù)合材料屬于非均質(zhì)各向異性材料，材料性能復(fù)雜，同時植物纖維發(fā)泡復(fù)合材料保險杠在工作時主要以彎曲變形為主，僅進(jìn)行拉伸試驗無法保證材料模型的可靠性，因此針對植物纖維發(fā)泡復(fù)合材料進(jìn)行三點彎曲試驗來研究材料的彎曲性能，驗證材料模型的可靠性。采用GB/T 1449—2005進(jìn)行三點彎曲試驗，得到植物纖維發(fā)泡復(fù)合材料的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2b所示，并得到復(fù)合材料的彎曲強度為23.5 MPa，彎曲模量為1064.9 MPa。

圖2 試驗材料應(yīng)力-應(yīng)變

2 分析模型建立

選用HyperMesh以及HyperWork中的LS-DYNA模塊作為分析工具。為了后續(xù)能與試驗對比，驗證模型的正確性，建立拉伸和彎曲試樣3D模型，具體步驟如圖3所示。

圖3 “三明治”模型建立示意

為驗證分析模型的正確性，將拉伸試樣結(jié)構(gòu)定義為3層鋪層復(fù)合板，外層SF/PP的厚度為0.89 mm，中心微孔PP材料的厚度為2.22 mm，使用Lyper Laminate中的PCOMPP卡片定義復(fù)合材料層合板的鋪層順序、每層的角度、厚度和材料屬性[16]。在HyperWork中的LS-DYNA模塊下直接對Component中的Number of plies卡片設(shè)置鋪層順序、每層角度、厚度和材料等參數(shù)。根據(jù)GB/T 1040.1—2006拉伸試驗條件，對拉伸試樣模型一端全約束，另一端沿拉伸方向加載1 mm/min的速度。按GB/T 9341—2008彎曲性能試驗條件，對彎曲試樣模型約束其兩端與彎曲工裝接觸面的自由度，在試樣中心沿垂直方向加載2 mm/min的速度。

對某汽車前保險杠蒙皮建立有限元分析模型，如圖4a所示，四面體網(wǎng)格大小為4mm×4 mm，保險杠蒙皮主體網(wǎng)格三角形單元為4180個，四邊形單元為77 000個；保險杠蒙皮格柵網(wǎng)格模型中三角形單元為225個，四邊形單元為4055個。保險杠蒙皮主體和格柵之間連接卡扣和螺釘采用HyperMesh中的RBE2代替，在2個零件連接處各設(shè)置一個參考點，再將2個參考點剛性連接。固定約束保險杠蒙皮卡扣孔與螺栓孔的6個自由度，忽略各部件之間的相對運動。

為測試保險杠蒙皮靜力剛度，在保險杠蒙皮本體取6個點，如圖4b所示，采用直徑為50 mm的鋼制壓頭施加50 N載荷，分析保險杠蒙皮加載點的變形量。為對比驗證分析結(jié)果，在自制臺架上，采用一個直徑為50 mm的圓柱形壓頭對保險杠被測試點通過機械手搖式裝置給零件施加50 N的力，在測試點背面安裝電子百分表，測試該點的變形量，試驗裝置如圖4c所示。

圖4 保險杠蒙皮有限元分析與試驗測試

為分析保險杠蒙皮低速碰撞剛度，按GB 17354—1998建立擺錘模型，如圖5所示。擺錘質(zhì)量設(shè)置為1500 kg；在汽車重心位置設(shè)置質(zhì)量點，將質(zhì)量設(shè)置為1500 kg；并將車身質(zhì)量點與保險杠的安裝孔剛性連接，固定約束質(zhì)量點除了水平行駛方向以外的5個自由度；設(shè)置正碰速度為4 km/h，碰撞方向為水平方向；角碰速度為2.5 km/h，方向與保險杠蒙皮縱向?qū)ΨQ線成30°夾角；從而模擬兩車相撞的工況，研究低速碰撞時保險杠蒙皮的碰撞剛度。

圖5 保險杠蒙皮低速碰撞分析模型

3 結(jié)果和討論

微發(fā)泡PP材料、SF/PP、微發(fā)泡SF/PP的試樣拉伸，以及微發(fā)泡SF/PP試樣彎曲的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比如圖6a—d所示。圖7為微發(fā)泡SF/PP試樣在拉伸和彎曲測試下試驗與仿真的應(yīng)力-應(yīng)變對比。

由圖6可知，微發(fā)泡SF/PP拉伸強度最大（25.2 MPa），但均勻伸長率最低；SF/PP材料拉伸強度最?。?2.3 MPa），這與試驗現(xiàn)象較為吻合[15]。這是由于微發(fā)泡SF/PP材料在受拉伸時，芯層微孔受拉變形，將受到的載荷均勻分散至臨近材料，皮層富集植物纖維因而可承受較大的拉伸載荷，體現(xiàn)出拉伸強度提升，但由于芯層微發(fā)泡材料強度較低，易產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致拉伸失效，因而微發(fā)泡SF/PP材料均勻伸長率較低。由圖7可知，微發(fā)泡SF/PP彎曲和拉伸試驗與仿真的應(yīng)力-應(yīng)變曲線重合度較高。彎曲仿真得到的彎曲強度為19.7 MPa，與試驗結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，同時結(jié)合圖6可知，試驗與仿真的失效和變形位置相似。因此文中建立的非均質(zhì)微發(fā)泡SF/PP材料模型較為可靠，可用來分析微發(fā)泡SF/PP制品的力學(xué)性能。

圖6 不同試樣拉伸和彎曲試驗和仿真結(jié)果

圖7 微發(fā)泡SF/PP試驗與仿真的應(yīng)力-應(yīng)變對比

圖8為微發(fā)泡SF/PP保險杠蒙皮各點剛度分析結(jié)果，表3顯示了仿真與試驗變形量的對比。由表3可知，采用微發(fā)泡秸稈纖維制造的保險杠蒙皮變形量均在3.5 mm以內(nèi)，滿足技術(shù)要求。其中測試點1處變形量最大，測試點6處變形量最小。這是由于測試點1為牌照框安裝處，該處結(jié)構(gòu)為較大平面，內(nèi)側(cè)處無筋條加強，因而變形量較大。測試點6為格柵中部，其結(jié)構(gòu)由橫縱交叉筋條構(gòu)成，因而剛性較好，變形量較小。模擬分析結(jié)果與試驗結(jié)果表明，秸稈纖維復(fù)合材料制品雖然內(nèi)部具有微孔結(jié)構(gòu)，重量雖然降低，但與同厚度注塑“實心”制品相比，其力學(xué)性能同樣符合產(chǎn)品技術(shù)要求，這是由于制品內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)為微米級閉孔，受到外力載荷時通過微孔變形使載荷在受力點周邊分散，有效提升了產(chǎn)品剛度性能，并起到了輕量化作用。

由圖8和表3可知，采用文中所用的3層復(fù)合材料模型分析非均質(zhì)微發(fā)泡SF/PP零件剛度時，各點變形量誤差為3.5%～6.8%，考慮到結(jié)構(gòu)模型的前處理和分析誤差，其結(jié)果可認(rèn)為較為準(zhǔn)確。因而該分析方法可以簡便、近似準(zhǔn)確地分析微發(fā)泡SF/PP保險杠蒙皮的力學(xué)性能。

圖9顯示了PP和微發(fā)泡SF/PP兩種保險杠蒙皮在正碰和角碰下的變形云圖。由圖9可知，2種材料的保險杠蒙皮在低速碰撞時呈現(xiàn)了相似特點，變形主要出現(xiàn)在碰撞接觸面上，最大位移點出現(xiàn)在對碰中心點，而對于碰撞接觸面以外的保險杠部分則幾乎不會發(fā)生變形。

圖10顯示了2種材料保險杠蒙皮正碰和角碰時的位移曲線和速度曲線。從正碰曲線可以發(fā)現(xiàn)，PP保險杠蒙皮在0.199 s時達(dá)到最大位移130.1 mm，而微發(fā)泡SF/PP保險杠蒙皮在0.147 s時達(dá)到最大位移122.8 mm；2種材料在剛碰撞時變形速率幾乎相同，但微發(fā)泡SF/PP保險杠蒙皮先到達(dá)最大變形；同時，微發(fā)泡SF/PP保險杠蒙皮最大變形量小于PP保險杠蒙皮。在到達(dá)最大變形后，微發(fā)泡SF/PP保險杠蒙皮變形迅速下降，PP微發(fā)泡SF/PP保險杠蒙皮變形緩慢下降。上述現(xiàn)象表明，微發(fā)泡SF/PP材料吸收能量能力較強，抵抗碰撞變形能力較強。這是由于復(fù)合材料的“三明治”結(jié)構(gòu)，材料表皮的纖維增強材料很大程度上提高了材料的剛度，阻止了保險杠蒙皮的變形；同時芯部微孔在低速碰撞時發(fā)生變形壓縮，可以很大程度上吸收碰撞的能量，減少了保險杠蒙皮變形，卸載后微孔彈性回復(fù)，加快了保險杠蒙皮的回彈。但由圖10b可知，角碰時PP保險杠蒙皮先到達(dá)最大變形，微發(fā)泡SF/PP保險杠蒙皮最大變形量較大。結(jié)合圖9可知，正碰時主要是沿保險杠橫向彎曲，角碰時保險杠蒙皮彎曲情況較復(fù)雜，碰撞位置不同，材料彎曲受力情況也不同。微發(fā)泡SF/PP的各向異性決定了其在不同方向的彎曲應(yīng)力情況不同，導(dǎo)致橫向彎曲變形大于縱向彎曲變形。

由圖10c和d可知，正碰和角碰時，微發(fā)泡SF/PP保險杠蒙皮最大位移點的速度在整個碰撞周期內(nèi)高于PP保險杠蒙皮；撞擊微發(fā)泡SF/PP保險杠蒙皮后，擺錘的回彈速度高于其撞擊PP保險杠蒙皮后的回彈速度，且在擺錘速度穩(wěn)定后，微發(fā)泡SF/PP保險杠蒙皮最大位移點速度波動幅值高于PP。這說明微發(fā)泡SF/PP保險杠蒙皮在吸收能量后通過自身振動吸收擺錘能量，從而減少保險杠蒙皮整體變形量。這同樣是由于微發(fā)泡SF/PP的芯層微孔結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的能量吸收特性。

表3 保險杠蒙皮靜力變形量仿真與試驗結(jié)果對比

Tab.3 Comparison between simulation and test results of static deformation of bumper fascia

圖8 微發(fā)泡SF/PP保險杠蒙皮靜力變形

圖9 保險杠蒙皮碰撞變形

圖10 保險杠蒙皮低速碰撞仿真結(jié)果

4 結(jié)論

1）微發(fā)泡SF/PP復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)有明顯的“三明治”結(jié)構(gòu)特點，秸稈纖維主要分布在外皮層，且基本無泡孔，泡孔主要分布在芯層，整體呈現(xiàn)明顯的非均質(zhì)性和各向異性。

2）微發(fā)泡SF/PP保險杠蒙皮在50 N載荷下，各點變形量均小于3.5 mm；低速碰撞時，微發(fā)泡SF/PP保險杠蒙皮表現(xiàn)出較好的能量吸收效果，力學(xué)性能滿足技術(shù)要求，滿足輕量化要求。

3）將非均質(zhì)微發(fā)泡SF/PP復(fù)合材料保險杠蒙皮視為3層復(fù)合材料板進(jìn)行分析，剛度仿真模擬與試驗結(jié)果平均相差6%左右，結(jié)果滿足仿真分析要求。

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Stiffness of Heterogeneous Bumper Fascia Made by Straw Fiber Composites

LIU Jun-jian1, HU Hao-sheng2a,2b, ZHOU Lei1, LI Wei1,2a

(1. SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Liuzhou 545007, China; 2. a. Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components; b. Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

The work aims to research the stiffness of bumper fascia made of micro foamed straw fiber/polypropylene (SF/PP) composites. Micro foamed SF/PP composites were prepared by blending extrusion and chemical foaming injection processes. The mechanical properties and microstructure of heterogeneous samples were tested by experiment. A structure analysis model of heterogeneous micro foamed straw fiber/PP composite was established through finite element analysis. The stiffness performance of the composite bumper fascia was analyzed. The results showed that the microstructure of micro foamed SF/PP composites had obvious "sandwich" structure characteristics. Straw fibers were mainly distributed in the outer skin layer and bubbles were mainly distributed in the core layer. The difference between the analysis results and the experimental test was about 6%. The automobile injection parts of heterogeneous straw fiber composite can be approximated to a three-layer composite plate structure for numerical analysis, which simplifies the analysis process. The research results can be used to guide product performance evaluation and improve product development efficiency.

micro foamed; plant fiber composite; heterogeneous; mechanical property

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.03.014

U465.4

A

1674-6457(2022)03-0107-09

2021-09-02

國家自然科學(xué)基金（51605356）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金（WUT 2019Ⅲ116CG）

劉軍艦（1982—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為汽車零部件先進(jìn)制造。

李偉（1984—），女，碩士，高級工程師，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為汽車輕量化設(shè)計制造。