車(chē)身泡沫填充鋁合金波紋夾芯板結(jié)構(gòu)性能分析與優(yōu)化*

崔 岸，劉芳芳，張 晗，郝裕興，陳 寵，張 睿

（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）

前言

采用輕質(zhì)復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)車(chē)身輕量化的一個(gè)重要途徑。夾芯板結(jié)構(gòu)是由兩層較薄的表層面板和輕質(zhì)夾芯所組成，具有高比強(qiáng)度、高比模量、輕質(zhì)易成形和制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，在工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)形式，不但具有一定強(qiáng)度，且在設(shè)計(jì)中具有很高的靈活性。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)夾芯板的研究取得了一定的成果［2-14］。其中，文獻(xiàn)［2］中研究了芯層分別填充金屬泡沫和陶瓷材料的不同構(gòu)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(shí)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，結(jié)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(yōu)勢(shì)；文獻(xiàn)［5］中研究了泡沫鋁填充波紋夾芯板的壓縮強(qiáng)度和吸能特性，結(jié)果表明，泡沫鋁填充波紋夾芯板的壓縮強(qiáng)度和吸能特性明顯優(yōu)于未填充的波紋夾芯板和單獨(dú)泡沫鋁結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)［6］中通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)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(jī)理，發(fā)現(xiàn)芯層為復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度較優(yōu)；文獻(xiàn)［7］和文獻(xiàn)［12］中針對(duì)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(jìn)行了研究，結(jié)果表明泡沫填充低碳鋼波紋夾芯板的抗高速?zèng)_擊吸能特性顯著提升；文獻(xiàn)［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(nèi)壓縮破壞模式，對(duì)泡沫填充波紋夾芯梁進(jìn)行質(zhì)量最小優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)填充泡沫的波紋夾芯梁具有更優(yōu)的面內(nèi)壓縮性能；文獻(xiàn)［9］中研究了不同芯層層數(shù)和結(jié)構(gòu)形式的波紋夾芯板的壓縮特性，發(fā)現(xiàn)芯層層數(shù)和結(jié)構(gòu)形式對(duì)夾芯板失效機(jī)理和能量吸收有重要影響；文獻(xiàn)［13］中研究了帶有孔洞的波紋夾芯板的低頻吸聲系數(shù)和聲傳播損耗，結(jié)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(xiàn)出最佳的聲學(xué)性能，分析了孔洞直徑和孔洞占比對(duì)低頻吸聲系數(shù)和聲傳播損耗的影響；文獻(xiàn)［14］中通過(guò)試驗(yàn)研究了硅氧烷基復(fù)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(jié)果顯示，填充復(fù)合泡沫的波紋夾芯板較未填充復(fù)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(guó)內(nèi)對(duì)蜂窩夾芯板的研究與應(yīng)用較為普遍，而對(duì)波紋夾芯板尚在研究階段，特別是在汽車(chē)上的應(yīng)用研究并不多見(jiàn)。隨著波紋夾芯板在工程領(lǐng)域的逐步推廣，為滿(mǎn)足汽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)對(duì)輕量化和多種性能的需求，對(duì)其進(jìn)行廣泛深入的研究具有重要意義。

本文中通過(guò)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(yàn)和仿真相結(jié)合的方法，研究其相關(guān)力學(xué)性能，采用正交試驗(yàn)法分析夾芯板面板和芯層板材的厚度對(duì)結(jié)構(gòu)抗低速?zèng)_擊性能的影響，對(duì)夾芯填充泡沫的分布進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證。最后，通過(guò)在某轎車(chē)車(chē)門(mén)外板的應(yīng)用，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

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(jié)，待24 h固化后，將液態(tài)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(fā)泡并附著于波紋縫隙，在30℃的環(huán)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(zhǎng)度和寬度都是60 mm。樣件材料參數(shù)見(jiàn)表1，金屬膠粘結(jié)性能參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 樣件制備

表1 樣件材料參數(shù)

表2 金屬膠粘結(jié)性能參數(shù)

1.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

分別對(duì)填充泡沫和未填充泡沫的夾芯板樣件進(jìn)行壓縮、彎曲和沖擊試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)精度，每種尺寸的樣件均取3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值作為最終結(jié)果。

1.2.1 壓縮試驗(yàn)

在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，如圖2所示。其中，壓頭的下沉速度為2 mm/min。試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖3所示（僅給出1層和4層夾芯樣件結(jié)果），根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)得到夾芯板的壓縮強(qiáng)度和彈性模量，如表3所示。

圖2 壓縮試驗(yàn)

圖3 夾芯板應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

表3 夾芯板壓縮力學(xué)參數(shù)

通過(guò)圖3可以看出，夾芯板的壓縮過(guò)程分為彈性、塑性和密實(shí)3個(gè)階段。在彈性階段，壓縮應(yīng)力隨位移的增加基本呈線(xiàn)性增加，此階段夾芯板無(wú)明顯壓潰和應(yīng)力集中現(xiàn)象。在塑性階段，應(yīng)力隨位移的增加出現(xiàn)平臺(tái)期，由于未填充泡沫的樣件相對(duì)填充泡沫的樣件具有更多的孔隙，因此其平臺(tái)期較長(zhǎng)，進(jìn)入密實(shí)階段較晚。在密實(shí)階段，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加迅速增加，從壓縮起點(diǎn)到密實(shí)階段起點(diǎn)的形變過(guò)程能反映夾芯板的壓縮性能，借此可計(jì)算其吸能大小。由表4可進(jìn)一步看出，填充泡沫的樣件的壓縮強(qiáng)度和彈性模量較未填充泡沫的樣件均有所提升，且壓縮強(qiáng)度隨波紋板層數(shù)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(yàn)

在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，如圖4所示。跨距為120 mm，壓頭的下沉速度為5 mm/min。選取跨距中點(diǎn)作為采樣點(diǎn)，獲得的載荷-位移曲線(xiàn)如圖5所示（僅給出1層和4層夾芯的樣件），當(dāng)曲線(xiàn)開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì)時(shí)停止試驗(yàn)。根據(jù)載荷-位移曲線(xiàn)得到夾芯板的彎曲力學(xué)性能，如表4所示?？梢钥闯?，填充泡沫樣件的彎曲強(qiáng)度和彎曲剛度都大于未填充泡沫的樣件，表明填充泡沫能夠有效改善夾芯板的抗彎性能。

圖4 彎曲試驗(yàn)

圖5 夾芯板載荷-位移曲線(xiàn)

表4 夾芯板彎曲力學(xué)參數(shù)

1.2.3 低速?zèng)_擊試驗(yàn)

落錘試驗(yàn)臺(tái)及相關(guān)部件如圖6所示。將樣件通過(guò)夾具固定在試驗(yàn)臺(tái)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(chǎn)生變形，本文選取下面板中心點(diǎn)最大位移量作為重要參數(shù)，通過(guò)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(diǎn)P的時(shí)間-位移曲線(xiàn)，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(xiàn)斜率均小于未填充泡沫的樣件，說(shuō)明填充泡沫后，下面板中心點(diǎn)撓度減小，夾芯板的抗沖擊性有所增強(qiáng)。表5列出了3 ms時(shí)樣件P點(diǎn)的最大位移情況。可以看出，填充泡沫樣件P點(diǎn)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(yàn)臺(tái)及相關(guān)部件

圖7 夾芯板P點(diǎn)時(shí)間-位移曲線(xiàn)

表5 P點(diǎn)在3 ms時(shí)的位移

2 板材厚度對(duì)結(jié)構(gòu)抗沖擊性的影響分析

2.1 仿真模型驗(yàn)證

針對(duì)4層夾芯樣件，在A(yíng)baqus中進(jìn)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(gòu)模型，聚氨酯泡沫采用Ogde-hyperfoam 2階本構(gòu)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(shù)算法；填充泡沫采用Hex-dominated單元類(lèi)型，泡沫與金屬板之間也采用面面接觸，接觸選擇運(yùn)動(dòng)接觸算法。模型中涉及接觸的部位均采用綁定約束。對(duì)模型進(jìn)行兩端固定，兩端自由度完全約束，落錘設(shè)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(shí)間為3 ms。下面板中心P點(diǎn)的時(shí)間-位移曲線(xiàn)如圖9所示。可以看出，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本符合，驗(yàn)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(yàn)時(shí)間-位移曲線(xiàn)對(duì)比

2.2 板材厚度對(duì)結(jié)構(gòu)抗沖擊性的影響

采用正交試驗(yàn)法，將上、下面板和波紋板厚度作為3個(gè)影響因子，每個(gè)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(yàn)，以?shī)A芯板下面板中心點(diǎn)P在3 ms時(shí)的最大位移量作為試驗(yàn)指標(biāo)。將試驗(yàn)方案在A(yíng)baqus中進(jìn)行沖擊仿真，得到的仿真結(jié)果見(jiàn)表7。表8為仿真結(jié)果極差分析。其中：Ki（i＝1，2，3）為各因素同一水平下的試驗(yàn)指標(biāo)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(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)的變化幅度。

表6 三因素三水平表 mm

表7 正交試驗(yàn)結(jié)果 mm

表8 板材厚度組合極差分析

對(duì)比表8中3種影響因子極差R可知，影響該結(jié)構(gòu)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(duì)比3種影響因子的均值，可以看出，對(duì)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(shí)，P點(diǎn)位移最??；同理，對(duì)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(shí)，P點(diǎn)位移最小。因此，針對(duì)抗沖擊性能，各板厚度的較優(yōu)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(yōu)化

采用變密度拓?fù)鋬?yōu)化方法，考慮兩端固定、簡(jiǎn)支、剛性基礎(chǔ)3種邊界條件，進(jìn)行泡沫分布優(yōu)化。優(yōu)化區(qū)域?yàn)槭芰c(diǎn)附近的48個(gè)孔洞，將每個(gè)孔洞是否填充泡沫作為一個(gè)設(shè)計(jì)變量Xi，填充泡沫記為1，未填充泡沫記為0，共有48個(gè)設(shè)計(jì)變量，248種不同的填充方式，以設(shè)計(jì)區(qū)域填充泡沫的總體積為約束，利用Abaqus軟件進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，獲得不同邊界條件下板材最優(yōu)的泡沫填充分布方式。

優(yōu)化目標(biāo)：下面板的中心點(diǎn)P沿施力方向的位移（剛性基礎(chǔ)時(shí)為反作用力）最小化；

設(shè)計(jì)變量：Xi＝｛0，1｝，i＝1，2，…，48；

約束：設(shè)計(jì)區(qū)域泡沫體積總量≤1（100/100）。

夾芯板在3種邊界條件下優(yōu)化后的泡沫填充方式見(jiàn)圖10。

圖10 泡沫分布優(yōu)化結(jié)果

為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的有效性，針對(duì)兩端固定的約束情況進(jìn)行沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證，得出的下面板P點(diǎn)的時(shí)間-位移曲線(xiàn)如圖11所示。優(yōu)化后P點(diǎn)在3 ms的最大位移量為4.85 mm，相比于優(yōu)化前的5.50 mm，位移量減小約12%。試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表9?？梢钥闯觯瑑?yōu)化泡沫分布以后，不但減少了泡沫，且在一定程度上增強(qiáng)了夾芯板結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，證明優(yōu)化方法有效。

圖11 泡沫分布優(yōu)化后P點(diǎn)時(shí)間位移曲線(xiàn)

表9 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比 mm

4 應(yīng)用實(shí)例仿真分析

將含有3層芯的夾芯板結(jié)構(gòu)應(yīng)用于某款轎車(chē)左前車(chē)門(mén)外板，使用LS-DYNA軟件對(duì)整車(chē)進(jìn)行側(cè)撞仿真分析。車(chē)門(mén)外板三維幾何模型如圖12所示，整車(chē)側(cè)面碰撞仿真模型如圖13所示。根據(jù)相關(guān)法規(guī)要求，采用移動(dòng)變形壁障以50 km/h的速度垂直于汽車(chē)側(cè)面進(jìn)行撞擊，移動(dòng)變形壁障與汽車(chē)側(cè)面采用面面接觸，為保證計(jì)算精度，將沙漏系數(shù)設(shè)置為0.01。選取左側(cè)前車(chē)門(mén)內(nèi)板上的3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)（分別對(duì)應(yīng)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(chē)門(mén)側(cè)撞安全性指標(biāo)，仿真結(jié)果如表10所示。

圖12 車(chē)門(mén)外板三維幾何模型

圖13 碰撞仿真模型

由表10可知，車(chē)門(mén)外板替換成夾芯板后，車(chē)門(mén)關(guān)鍵點(diǎn)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%?？梢钥闯觯?chē)門(mén)外板替換成夾芯板后，其側(cè)撞安全性有一定程度的提升。經(jīng)計(jì)算，夾芯板車(chē)門(mén)外板較全鋼材車(chē)門(mén)外板質(zhì)量減輕約38%，材料價(jià)格增加約27%。

表10 車(chē)門(mén)關(guān)鍵點(diǎn)最大侵入量和侵入速度

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種泡沫填充鋁合金波紋夾芯板復(fù)合結(jié)構(gòu)，探討了該結(jié)構(gòu)的壓縮、彎曲和抗沖擊特性。通過(guò)試驗(yàn)與仿真相結(jié)合，建立了夾芯板結(jié)構(gòu)有限元模型，采用正交試驗(yàn)法，研究了板材厚度對(duì)夾芯板結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響，獲得了板材厚度方案。采用拓?fù)鋬?yōu)化方法，分別考慮兩端固定、簡(jiǎn)支和剛性基礎(chǔ)3種邊界條件，對(duì)夾芯板填充泡沫布置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證。最后，將優(yōu)化后的泡沫填充夾芯板結(jié)構(gòu)應(yīng)用于某轎車(chē)左前門(mén)外板，進(jìn)行整車(chē)側(cè)撞仿真分析。結(jié)果表明，前車(chē)門(mén)關(guān)鍵點(diǎn)的最大侵入量和侵入速度均有一定程度的降低，同時(shí)車(chē)門(mén)質(zhì)量也明顯減輕，因此滿(mǎn)足了提升車(chē)身輕量化和安全性的設(shè)計(jì)要求。雖然目前夾芯板的成本偏高，但隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)必將會(huì)大大降低其制造成本，具有可觀(guān)的應(yīng)用前景。