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閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)耐撞性研究（一）

1.1 研究背景

在全面實現(xiàn)建成小康社會的發(fā)展過程中，我國國民經(jīng)濟保持迅猛發(fā)展，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，中國2019年的GDP已達到99.08萬億元，長期穩(wěn)居世界第二，并且近年來GDP的增長率仍保持在6%~10%的中高速發(fā)展，遠高于美國的2%。中國地大物博，人口基數(shù)巨大，加之經(jīng)濟水平不斷提高，人民生活品質(zhì)不斷改善，為汽車行業(yè)的發(fā)展，尤其是私家車的發(fā)展提供了廣泛的市場條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。從1956年第一臺“解放牌”汽車下線到2019年總銷量2576.9萬輛，我國汽車產(chǎn)銷量已連續(xù)十一年位居全球產(chǎn)銷榜首，總銷量大約占全球的30%,而我國汽車保有量也高達2.4億輛；雖說在2018年和2019年中國市場汽車銷量同比下降2%和8%，并且預(yù)計在2020年可能仍有小幅2%的下降，但這市場的寒冬期畢競是短暫的，相關(guān)專家預(yù)計汽車銷量或?qū)⒃?/span>2023年出現(xiàn)正增長拐點。汽車作為我國支柱型產(chǎn)業(yè)，其地位也是不容忽視的，據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，2019年我國汽車制造業(yè)實現(xiàn)營業(yè)收入高達8.08萬億元，占規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)營業(yè)總額的7.6%。

汽車行業(yè)在推動我國經(jīng)濟發(fā)展和為國民生活帶來便利的同時，也帶來了一些不容忽視的問題，例如：空氣污染嚴重、能源消耗不斷增加等等。為了減少這些問題給人民生活帶來的影響，整車輕量化技術(shù)和新能源技術(shù)始終是汽車研發(fā)工藝制造探索的重要方向。雖然近年來，新能源汽車環(huán)保理念漸入人心，并且在技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展上獲得了國家的支持和消費者的認可，但由于受到如“三電”等核心技術(shù)瓶頸的限制，新能源汽車或難在短時間內(nèi)引領(lǐng)市場的主流，在此背景下，發(fā)展汽車輕量化仍是汽車行業(yè)節(jié)能減排的重要舉措；據(jù)諸多研究數(shù)據(jù)表明，傳統(tǒng)燃油車的重量每下降10%,汽車在行駛過程中能節(jié)省燃油消耗7%左右，減少排放量5~6%左右；據(jù)某公司統(tǒng)計，汽車每減重100kg，油耗降低0.3~0.6L/100km、CO?的排放量減少5g/km。輕量化技術(shù)不僅僅對傳統(tǒng)燃油車的發(fā)展有積極的作用，對新能源汽車技術(shù)的革新發(fā)揮著功不可沒的作用，電動汽車作為新能源汽車中的一種，其整車的架構(gòu)大體是在傳統(tǒng)燃油汽車的架構(gòu)下，去除發(fā)動動機、油箱等部件后加入“三電系統(tǒng)”，而加入部分的重量遠比除去部分的重量要重許多，通常電動汽車整車整備質(zhì)量會增加20%~40%，而汽車重量的增加，勢必會影響其續(xù)航里程和行駛安全性，而新能源汽車輕量化能提高其續(xù)航里程和節(jié)約成本，研究表明，新能源汽車整備質(zhì)量降低10%,其續(xù)航里程增加5%~10%，電池成本節(jié)約15%~20%，日常損耗節(jié)約20%，因此，汽車輕量化技術(shù)也勢必是新能源汽車未來發(fā)展的重要方向。此外，在我國，汽車輕量化技術(shù)早已成為國家戰(zhàn)略，國務(wù)院印發(fā)的《中國制造2025》中指出節(jié)能與新能源汽車領(lǐng)域是踏入制造強國，必須堅持推進的創(chuàng)新重點，并強調(diào)輕量化仍然是發(fā)展的重中之重；國家制造強國建設(shè)戰(zhàn)略委員會和工信部委托發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中“1+7路線圖”明確了輕量化技術(shù)的發(fā)展方向。

汽車輕量化是保證汽車結(jié)構(gòu)強度、行駛安全性和結(jié)構(gòu)功能性的前提下，選取合適的材料，利用計算機輔助技術(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過合適的先進工藝制造出重量盡可能輕的零部件或者結(jié)構(gòu)。據(jù)以往經(jīng)驗總結(jié)，汽車輕量化實現(xiàn)的方式主要從三個方面入手：一是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，通過形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、拓撲優(yōu)化、形貌優(yōu)化，在滿足其結(jié)構(gòu)性能的前提下，減少多余材料的使用，使結(jié)構(gòu)的材料達到最佳配置；二是選用合適的先進工藝，如激光拼焊成型和熱成型技術(shù)、新材料的先進成 型工藝和連接技術(shù)等；三是用合適的輕質(zhì)材料對已有結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)材料進行替換，而最有潛力作為替換材料應(yīng)用到車輛上的幾類材料，比如有先進高強度鋼材、鋁合金、鎂合金、纖維復(fù)合材料、高級聚合物(無纖維增強)等。汽車輕量化三個方面途徑是相輔相成的，材料是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以及制造工藝的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和制造工藝是材料輕量化實現(xiàn)的方式；要實現(xiàn)結(jié)構(gòu)材料的合理配置以及選用合適的結(jié)構(gòu)構(gòu)型首先勢必對基材及結(jié)構(gòu)進行力學(xué)性能表征和失效機理分析。

夾層結(jié)構(gòu)在自然界中幾乎隨處可見，比如樹的樹枝樹干、動物和人體的骨骼都是夾層結(jié)構(gòu)，這些天然的夾層結(jié)構(gòu)需要承受自然界中反復(fù)的彎曲、壓縮，甚至扭轉(zhuǎn)等組合工況，這就對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能提出更嚴格的要求；人類第一次提出夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想要追述到1849年，費爾貝恩在描述北威爾士大不列顛管狀橋梁時提出了夾層結(jié)構(gòu)原理；并且通常通過膠粘劑或者焊接等工藝方式將芯層與面板連接在一起形成一個整體，這種結(jié)構(gòu)類似于形成工字梁，兩面板被厚度較大的芯層分離，增大了面板的轉(zhuǎn)動慣量，能很大程度增加結(jié)構(gòu)的抗彎和抗屈特性。

夾層結(jié)構(gòu)除了重量輕，結(jié)構(gòu)強度高，剛度大的特點外，在耐撞吸能、吸音降噪等方面也有獨特的優(yōu)勢，所以這種結(jié)構(gòu)不僅在輕量化方向有著很大的應(yīng)用潛能，在其他很多領(lǐng)域都有廣泛的使用；比如說航空航天，Delta系列運載火箭有效載荷整流罩、隔熱罩，直升機的發(fā)動機短艙、槳葉，民用客機的機身、內(nèi)飾、底板等均采取夾層結(jié)構(gòu)，既保證了結(jié)構(gòu)的強度和剛度也降低了整體的重量；此外，在艦船防護結(jié)構(gòu)如船體、艙壁、居住區(qū)的隔板，支撐結(jié)構(gòu)如甲板、天線平臺，鐵道車輛上的車體、車門、地板都可以見到夾層結(jié)構(gòu)的身影。夾層結(jié)構(gòu)在汽車上的應(yīng)用，主要是把多孔材料作為結(jié)構(gòu)件的填充物，一方面減輕了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，另一方面提高結(jié)構(gòu)的抗彎剛度和吸能特性；由歐盟資助的“SmartBatt”項目制造的電池殼體，底部是由鋁面板和鋁混合泡沫芯制成的夾層結(jié)構(gòu)，該電池組的重量相對于傳統(tǒng)技術(shù)制造的電池重量減輕了10-15%；此外，輕質(zhì)泡沫材料還可以用在門檻梁、B柱、前縱梁、吸能盒、車身覆蓋件等部位以增加其結(jié)構(gòu)的剛度和吸能。

根據(jù)應(yīng)用場景不同，對夾層結(jié)構(gòu)的性能要求也不一樣，夾層結(jié)構(gòu)面板和芯層的材料選取也不一樣，并且芯層的結(jié)構(gòu)形式有很多，使得夾層結(jié)構(gòu)的種類繁多。夾層結(jié)構(gòu)的面板材料通常分為彈塑性材料和脆性材料兩大類，彈塑性材料通常為金屬材料，比如鋁合金、鋼材等；常見的脆性材料有纖維增強復(fù)合材料等。芯層結(jié)構(gòu)主要有軟木、金屬蜂窩、紙蜂窩、點陣結(jié)構(gòu)、聚合物泡沫、金屬泡沫以及以上提到的材料結(jié)構(gòu)混合的結(jié)構(gòu)形式。在航空航天領(lǐng)域，為了滿足結(jié)構(gòu)強度、安全性以及盡可能大地達到減重效果的需要，主要采用纖維增強復(fù)合材料作為面板和紙蜂窩或者軟木等作為芯層的夾層結(jié)構(gòu)。在交通運輸領(lǐng)域，纖維增強復(fù)合材料由于其優(yōu)越的性能也逐漸深入人心，在汽車上也常見其身影，如車身、內(nèi)飾件、剎車片等等；但纖維增強復(fù)合材料作為夾層結(jié)構(gòu)的面板，與金屬夾層結(jié)構(gòu)在耐撞性上孰優(yōu)孰劣，仍值得深入探討。相比金屬泡沫，軟木、聚合物泡沫、 Nomex蜂窩、膠合鋁蜂窩的力學(xué)性能對溫度和濕度的敏感更大；而與蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和點陣結(jié)構(gòu)不同的是，金屬泡沫夾層更容易加工成復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)，并且結(jié)構(gòu)的耐撞性更好。由于金屬材料鋁有著密度小、價格低、力學(xué)性能良好等特點，通常把鋁作為金屬泡沫的主要原料，通過發(fā)泡、粉末冶金等工藝制作成泡沫鋁，雖然泡沫鋁的強度并不高，且其抗拉強度約為普通鋁材的1/100,比強度是鋁的1/10；但泡沫鋁在壓縮過程中有著其獨特的優(yōu)勢，泡沫鋁典型壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，曲線中存在一段較寬的應(yīng)力帶，稱之為應(yīng)力平臺階段，在此階段下泡沫鋁有能承受較大的塑性變形的能力，并且沒有明顯的回彈現(xiàn)象，這使得泡沫鋁非常適合作為汽車結(jié)構(gòu)件的填充物，在汽車碰撞安全方面有著很大的應(yīng)用潛能；此外，泡沫鋁在吸聲降噪，耐熱阻燃，電磁屏蔽等方面都有著出色的作用。

從力學(xué)性能角度而言，夾層結(jié)構(gòu)具備輕質(zhì)高強的特性，是由其結(jié)構(gòu)材料配置合理性和結(jié)構(gòu)形式的完整性決定的。相對較多的材料選擇和結(jié)構(gòu)配置使得夾層結(jié)構(gòu)盡管在同一工況下表現(xiàn)出不盡相同的失效模式，而這種相差性的主要影響因素是由面板芯層以及膠層的力學(xué)性能和幾何尺寸等決定的。此外，夾層結(jié)構(gòu)在不同受工況下，尤其是在面內(nèi)沖擊和面外受載下，芯層材料與面板材料之間的膠層的失效程度差異性較大，其結(jié)構(gòu)的完整性能難得到保證，從而嚴重影響其力學(xué)性能和在實際工程中的使用。事實上，汽車在行駛過程中車身結(jié)構(gòu)的受載情況是復(fù)雜多變的，并且同一結(jié)構(gòu)往往受到的工況也是不一樣的，例如，車身覆蓋件可能受到道路上的飛石、空中的冰雹意外沖擊；車身結(jié)構(gòu)件保險杠、門檻梁等在一起事故中可能會受到前后車的追尾，在另外一起事故中可能受到側(cè)面碰撞；所以對夾層結(jié)構(gòu)在多工況下進行結(jié)構(gòu)響應(yīng)及失效機理等力學(xué)行為的探究是很有必要的。