崔 岸，劉芳芳，張 晗，郝裕興，陳 寵，張 睿

（吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025）

前言

采用輕質(zhì)復(fù)合材料是實現(xiàn)汽車車身輕量化的一個重要途徑。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，具有高比強度、高比模量、輕質(zhì)易成形和制造成本低等優(yōu)點，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，不但具有一定強度，且在設(shè)計中具有很高的靈活性。

國內(nèi)外學(xué)者對夾芯板的研究取得了一定的成果［2-14］。其中，文獻［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的動態(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；文獻［5］中研究了泡沫鋁填充波紋夾芯板的壓縮強度和吸能特性，結(jié)果表明，泡沫鋁填充波紋夾芯板的壓縮強度和吸能特性明顯優(yōu)于未填充的波紋夾芯板和單獨泡沫鋁結(jié)構(gòu)；文獻［6］中通過試驗和數(shù)值模擬對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理，發(fā)現(xiàn)芯層為復(fù)合材料的抗壓強度較優(yōu)；文獻［7］和文獻［12］中針對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沖擊吸能特性顯著提升；文獻［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，對泡沫填充波紋夾芯梁進行質(zhì)量最小優(yōu)化設(shè)計，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［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)形式對夾芯板失效機理和能量吸收有重要影響；文獻［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低頻吸聲系數(shù)和聲傳播損耗的影響；文獻［14］中通過試驗研究了硅氧烷基復(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。

目前國內(nèi)對蜂窩夾芯板的研究與應(yīng)用較為普遍，而對波紋夾芯板尚在研究階段，特別是在汽車上的應(yīng)用研究并不多見。隨著波紋夾芯板在工程領(lǐng)域的逐步推廣，為滿足汽車車身設(shè)計對輕量化和多種性能的需求，對其進行廣泛深入的研究具有重要意義。

本文中通過制備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，采用正交試驗法分析夾芯板面板和芯層板材的厚度對結(jié)構(gòu)抗低速沖擊性能的影響，對夾芯填充泡沫的分布進行拓?fù)鋬?yōu)化和試驗驗證。最后，通過在某轎車車門外板的應(yīng)用，探討其應(yīng)用效果。

1 樣件制備與性能試驗

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，樣件的長度和寬度都是60 mm。樣件材料參數(shù)見表1，金屬膠粘結(jié)性能參數(shù)見表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

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

1.2.1 壓縮試驗

在電子萬能試驗機上進行壓縮試驗，如圖2所示。其中，壓頭的下沉速度為2 mm/min。試驗得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖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)變曲線得到夾芯板的壓縮強度和彈性模量，如表3所示。

圖2 壓縮試驗

圖3 夾芯板應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表3 夾芯板壓縮力學(xué)參數(shù)

通過圖3可以看出，夾芯板的壓縮過程分為彈性、塑性和密實3個階段。在彈性階段，壓縮應(yīng)力隨位移的增加基本呈線性增加，此階段夾芯板無明顯壓潰和應(yīng)力集中現(xiàn)象。在塑性階段，應(yīng)力隨位移的增加出現(xiàn)平臺期，由于未填充泡沫的樣件相對填充泡沫的樣件具有更多的孔隙，因此其平臺期較長，進入密實階段較晚。在密實階段，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加迅速增加，從壓縮起點到密實階段起點的形變過程能反映夾芯板的壓縮性能，借此可計算其吸能大小。由表4可進一步看出，填充泡沫的樣件的壓縮強度和彈性模量較未填充泡沫的樣件均有所提升，且壓縮強度隨波紋板層數(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

在電子萬能試驗機上進行彎曲試驗，如圖4所示?？缇酁?20 mm，壓頭的下沉速度為5 mm/min。選取跨距中點作為采樣點，獲得的載荷-位移曲線如圖5所示（僅給出1層和4層夾芯的樣件），當(dāng)曲線開始出現(xiàn)下降趨勢時停止試驗。根據(jù)載荷-位移曲線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

圖5 夾芯板載荷-位移曲線

表4 夾芯板彎曲力學(xué)參數(shù)

1.2.3 低速沖擊試驗

落錘試驗臺及相關(guān)部件如圖6所示。將樣件通過夾具固定在試驗臺架上，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最大位移量作為重要參數(shù)，通過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P的時間-位移曲線，如圖7所示。可以看出，含有相同芯層的夾芯板，填充泡沫樣件的曲線斜率均小于未填充泡沫的樣件，說明填充泡沫后，下面板中心點撓度減小，夾芯板的抗沖擊性有所增強。表5列出了3 ms時樣件P點的最大位移情況?？梢钥闯觯畛渑菽瓨蛹點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 落錘試驗臺及相關(guān)部件

圖7 夾芯板P點時間-位移曲線

表5 P點在3 ms時的位移

2 板材厚度對結(jié)構(gòu)抗沖擊性的影響分析

2.1 仿真模型驗證

針對4層夾芯樣件，在Abaqus中進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單元類型，泡沫與金屬板之間也采用面面接觸，接觸選擇運動接觸算法。模型中涉及接觸的部位均采用綁定約束。對模型進行兩端固定，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，作用時間為3 ms。下面板中心P點的時間-位移曲線如圖9所示。可以看出，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本符合，驗證了仿真的有效性。

圖8 夾芯板沖擊有限元模型

圖9 仿真與試驗時間-位移曲線對比

2.2 板材厚度對結(jié)構(gòu)抗沖擊性的影響

采用正交試驗法，將上、下面板和波紋板厚度作為3個影響因子，每個因子取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，以夾芯板下面板中心點P在3 ms時的最大位移量作為試驗指標(biāo)。將試驗方案在Abaqus中進行沖擊仿真，得到的仿真結(jié)果見表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)試驗指標(biāo)的變化幅度。

表6 三因素三水平表 mm

表7 正交試驗結(jié)果 mm

表8 板材厚度組合極差分析

對比表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。對比3種影響因子的均值，可以看出，對于上面板為最小值，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，P點位移最??；同理，對于波紋板和下面板，分別選擇第1水平（0.1 mm）和第3水平（0.5 mm）時，P點位移最小。因此，針對抗沖擊性能，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、簡支、剛性基礎(chǔ)3種邊界條件，進行泡沫分布優(yōu)化。優(yōu)化區(qū)域為受力點附近的48個孔洞，將每個孔洞是否填充泡沫作為一個設(shè)計變量Xi，填充泡沫記為1，未填充泡沫記為0，共有48個設(shè)計變量，248種不同的填充方式，以設(shè)計區(qū)域填充泡沫的總體積為約束，利用Abaqus軟件進行優(yōu)化計算，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P沿施力方向的位移（剛性基礎(chǔ)時為反作用力）最小化；

設(shè)計變量：Xi＝｛0，1｝，i＝1，2，…，48；

約束：設(shè)計區(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圖10。

圖10 泡沫分布優(yōu)化結(jié)果

為驗證優(yōu)化結(jié)果的有效性，針對兩端固定的約束情況進行沖擊試驗驗證，得出的下面板P點的時間-位移曲線如圖11所示。優(yōu)化后P點在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%。試驗與仿真結(jié)果對比見表9。可以看出，優(yōu)化泡沫分布以后，不但減少了泡沫，且在一定程度上增強了夾芯板結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，試驗結(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點時間位移曲線

表9 試驗與仿真結(jié)果對比 mm

4 應(yīng)用實例仿真分析

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

圖12 車門外板三維幾何模型

圖13 碰撞仿真模型

由表10可知，車門外板替換成夾芯板后，車門關(guān)鍵點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?，車門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)計算，夾芯板車門外板較全鋼材車門外板質(zhì)量減輕約38%，材料價格增加約27%。

表10 車門關(guān)鍵點最大侵入量和侵入速度

5 結(jié)論

設(shè)計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。通過試驗與仿真相結(jié)合，建立了夾芯板結(jié)構(gòu)有限元模型，采用正交試驗法，研究了板材厚度對夾芯板結(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、簡支和剛性基礎(chǔ)3種邊界條件，對夾芯板填充泡沫布置進行了優(yōu)化設(shè)計及試驗驗證。最后，將優(yōu)化后的泡沫填充夾芯板結(jié)構(gòu)應(yīng)用于某轎車左前門外板，進行整車側(cè)撞仿真分析。結(jié)果表明，前車門關(guān)鍵點的最大侵入量和侵入速度均有一定程度的降低，同時車門質(zhì)量也明顯減輕，因此滿足了提升車身輕量化和安全性的設(shè)計要求。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，未來必將會大大降低其制造成本，具有可觀的應(yīng)用前景。