高韌性聚合物汽車防撞梁吸能盒的應(yīng)用研究

陳 雨，陳梓山，葛 磊

(上海凌云工業(yè)科技有限公司，上海 201708)

近年來，各國對油耗和排放法規(guī)要求的升級，汽車行業(yè)越加重視汽車輕量化對整車碳排放的影響，輕量化現(xiàn)已成為各大汽車企業(yè)和科研人員研究的熱門課題[1]。通常汽車輕量化技術(shù)主要有如下三大途徑：一是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計；二是輕量化工藝，即采用先進的制造工藝；三是開發(fā)輕量化材料，比如使用密度較低的高分子材料、質(zhì)輕高強的復(fù)合材料等[2-3]。

汽車防撞梁吸能盒是汽車低速碰撞時的主要吸能部件，也是關(guān)系到汽車碰撞安全的重要薄壁零部件[4-5]。吸能盒吸能特性的改善對汽車被動安全有著重要意義，影響吸能盒性能的因素很多，比如吸能盒結(jié)構(gòu)形式、尺寸大小、材料選擇和制備工藝等[6-8]。以往的研究往往單方面關(guān)注材料的提升或者結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來提升吸能盒性能[9-10]。而本文通過新材料的應(yīng)用，并結(jié)合材料自身的成型特性進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而實現(xiàn)吸能盒性能的有效提升。

本文采用了一種高韌性的PC/PBT改性聚合物，對比分析了汽車吸能盒常用的6063鋁合金壓潰模式，研究了PC/PBT材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化對吸能特性的影響，為汽車吸能盒的輕量化改進提供依據(jù)。

1 PC/PBT材料性能測試

1.1 PC/PBT合金材料基本力學(xué)性能

本文采用的PC/PBT合金試樣通過將PC與PBT混擠注塑制備。為了準(zhǔn)確獲得PC/PBT合金材料的力學(xué)性能，對材料進行拉伸性能測試。采用SANS CMT4204萬能試驗機測試材料的拉伸和彎曲性能，拉伸性能測試按照ISO527:2012(E)進行，彎曲性能測試按照ISO178:2010進行。采用XJC-25組合式?jīng)_擊試驗機測試材料的抗沖擊性能，抗沖擊性能按照ISO179:2010(E)進行。

在拉伸測試過程中，PC/PBT合金材料展現(xiàn)出優(yōu)良的韌性。圖1所示為PC/PBT合金材料拉伸測試的應(yīng)力應(yīng)變曲線，從圖1可以看出，當(dāng)屈服強度達(dá)到55.4 MPa后，材料開始進入塑性變形階段，出現(xiàn)應(yīng)變軟化。隨著塑性變形的發(fā)展，PC/PBT合金材料的分子鏈產(chǎn)生擇優(yōu)取向變化，由此產(chǎn)生應(yīng)變強化效應(yīng)[11]，從曲線可以看到，當(dāng)材料應(yīng)變達(dá)到約98%時，由于強化效應(yīng)拉伸應(yīng)力升高至57 MPa，并且當(dāng)應(yīng)變達(dá)到130%時材料失效斷裂。圖2所示為PC/PBT合金材料試樣拉伸測試前后的對比照片，可見試樣經(jīng)過拉伸測試后呈現(xiàn)均勻的拉伸大變形，從宏觀上表明材料具有優(yōu)異的韌性。PC/PBT合金材料的拉伸、彎曲和沖擊等力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

圖1 PC/PBT材料的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖2 PC/PBT材料拉伸前后的形貌照片

表1 PC/PBT合金材料性能參數(shù)

1.2 PC/PBT合金材料壓縮仿真分析

為了確定仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文通過注塑制備了內(nèi)徑50 mm、壁厚2 mm、高度100 mm的PC/PBT圓筒件(見圖3)進行壓縮試驗，并建立了PC/PBT材料的仿真模型，采用36號材料模型在Radioss軟件中進行建模。模型尺寸與圓筒試樣尺寸相同。試樣的壓縮試驗在SANS CMT4204萬能試驗機上進行，壓縮位移為60 mm，壓縮速率為50 mm/min。PC/PBT圓筒件的仿真與試驗壓縮曲線如圖4所示，由圖4可見，試驗與仿真的力—位移曲線具有相似的趨勢，曲線吻合較好。并且試驗后的材料潰縮形貌和仿真得到的潰縮形貌基本一致(見圖5)。因此認(rèn)為材料仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可用于下一步模擬。

圖3 PC/PBT圓筒件

圖4 PC/PBT圓筒件的仿真與試驗壓縮曲線

圖5 PC/PBT圓筒試驗潰縮形貌與仿真結(jié)果

2 鋁合金與PC/PBT對比仿真分析

材料在發(fā)生強烈碰撞時會發(fā)生塑性變形，汽車吸能盒的設(shè)計就是利用材料在變形過程中對碰撞力的吸收，從而實現(xiàn)減少碰撞對乘員和車身損傷的目的。傳統(tǒng)的吸能盒材料以碳鋼為主，隨著輕量化的發(fā)展，逐漸開發(fā)了鋁制吸能盒，相比鋼制吸能盒可以降低約1倍的重量。而使用高分子材料制備吸能盒則是近年在輕量化研究領(lǐng)域的新熱點。吸能盒主要作用是將撞擊或者碰撞的能量和應(yīng)用做一個緩沖和吸收，以盡量降低沖擊力，因此在碰撞壓縮的過程中，吸能盒需要呈現(xiàn)適中的接觸反力以保護車身結(jié)構(gòu)，同時又要在潰縮過程中穩(wěn)定吸能達(dá)到緩沖的目的。

目前，汽車鋁制吸能盒產(chǎn)品截面以方形為主，而所使用材料多為6063，6063鋁合金材料性能參數(shù)見表2。本文所建鋁合金吸能盒模型尺寸如圖6a所示，計算可知，該吸能盒模型質(zhì)量為0.474 kg。利用高分子材料可通過注塑成型復(fù)雜形狀的優(yōu)點，本文在PC/PBT吸能盒設(shè)計時添加內(nèi)部實體筋提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)剛性。本文所建PC/PBT吸能盒模型尺寸如圖6b所示，該PC/PBT吸能盒模型質(zhì)量為0.416 kg。壓縮測試仍在SANS CMT4204萬能試驗機上進行，壓縮位移為180 mm，壓縮速率為50 mm/min。仿真計算輸出的力—位移曲線和吸收能量值曲線如圖7所示。從圖7可知，鋁合金吸能盒的最大接觸反力為107.77 kN，而PC/PBT吸能盒的最大接觸反力僅為59.51 kN。鋁合金材料自身的彈性模量約為PC/PBT材料的30倍，因此具有較高的抵抗變形能力，從而展現(xiàn)出更高的接觸反力。而PC/PBT吸能盒通過內(nèi)部加強筋有效提高了其結(jié)構(gòu)剛度，因此其接觸反力也達(dá)到鋁合金吸能盒的1/2左右。并且出于保護車身縱梁和車內(nèi)乘員的考量，吸能盒碰撞的接觸反力均有最大值的限定，具有適中的接觸反力才可滿足汽車碰撞的被動安全要求。隨著載荷的持續(xù)，吸能盒材料開始壓縮失效并伴隨結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)產(chǎn)生潰縮，此時吸能盒的接觸反力出現(xiàn)急劇下降。鋁合金吸能盒的接觸反力下降至約22 kN，而PC/PBT吸能盒依靠其結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，接觸反力維持在約40 kN。由于PC/PBT吸能盒持續(xù)穩(wěn)定的潰縮變形，最終PC/PBT吸能盒在壓縮180 mm的情況下，吸能值達(dá)到6.38 kJ。相比鋁合金吸能盒4.00 kJ的吸能值，高出59.5%。2種吸能盒仿真潰縮后的形貌如圖8所示，由圖8可見，2種吸能盒在仿真壓縮后均呈現(xiàn)層疊的潰縮形式，鋁合金吸能盒由于材料自身彈性模量較高，抵抗變形能力更強，因此其潰縮層數(shù)較PC/PBT吸能盒更少。而PC/PBT材料強度較鋁合金低，在壓縮過程中更易潰縮變形，但由于其盒內(nèi)部的加強筋提高了吸能盒的結(jié)構(gòu)剛性，在持續(xù)的變形過程中材料的變形潰縮與結(jié)構(gòu)剛性的抵抗變形能力得到一個適中的平衡，因此其壓縮過程中力—位移曲線更為平穩(wěn)。

表2 6063鋁合金材料性能參數(shù)

圖6 吸能盒仿真模型

a)力—位移曲線

b)吸收能量曲線

圖8 不同吸能盒的潰縮仿真形貌

3 結(jié)語

本文制備的PC/PBT改性聚合物材料具有優(yōu)異的延展韌性，在拉伸斷裂過程中呈現(xiàn)出明顯的頸縮和應(yīng)力強化效應(yīng)，其斷裂延伸率可達(dá)到130%。

在碰撞壓縮過程中，質(zhì)量基本等同的PC/PBT吸能盒通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化表現(xiàn)出比6063鋁合金更出色的吸能特性。PC/PBT吸能盒的最大接觸反力僅為鋁合金的1/2左右，而吸能值高出鋁合金的59.5%。