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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(shí)現(xiàn)建成小康社會(huì)的發(fā)展過(guò)程中，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)保持迅猛發(fā)展，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)2019年的GDP已達(dá)到99.08萬(wàn)億元，長(zhǎng)期穩(wěn)居世界第二，并且近年來(lái)GDP的增長(zhǎng)率仍保持在6%~10%的中高速發(fā)展，遠(yuǎn)高于美國(guó)的2%。中國(guó)地大物博，人口基數(shù)巨大，加之經(jīng)濟(jì)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(chǎng)條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。從1956年第一臺(tái)“解放牌”汽車下線到2019年總銷量2576.9萬(wàn)輛，我國(guó)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(guó)汽車保有量也高達(dá)2.4億輛；雖說(shuō)在2018年和2019年中國(guó)市場(chǎng)汽車銷量同比下降2%和8%，并且預(yù)計(jì)在2020年可能仍有小幅2%的下降，但這市場(chǎng)的寒冬期畢競(jìng)是短暫的，相關(guān)專家預(yù)計(jì)汽車銷量或?qū)⒃?/span>2023年出現(xiàn)正增長(zhǎng)拐點(diǎn)。汽車作為我國(guó)支柱型產(chǎn)業(yè)，其地位也是不容忽視的，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，2019年我國(guó)汽車制造業(yè)實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入高達(dá)8.08萬(wàn)億元，占規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)營(yíng)業(yè)總額的7.6%。

汽車行業(yè)在推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和為國(guó)民生活帶來(lái)便利的同時(shí)，也帶來(lái)了一些不容忽視的問(wèn)題，例如：空氣污染嚴(yán)重、能源消耗不斷增加等等。為了減少這些問(wèn)題給人民生活帶來(lái)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(lái)，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(guó)家的支持和消費(fèi)者的認(rèn)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(shí)間內(nèi)引領(lǐng)市場(chǎng)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(guò)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(jì)，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(duì)傳統(tǒng)燃油車的發(fā)展有積極的作用，對(duì)新能源汽車技術(shù)的革新發(fā)揮著功不可沒(méi)的作用，電動(dòng)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(dòng)動(dòng)機(jī)、油箱等部件后加入“三電系統(tǒng)”，而加入部分的重量遠(yuǎn)比除去部分的重量要重許多，通常電動(dòng)汽車整車整備質(zhì)量會(huì)增加20%~40%，而汽車重量的增加，勢(shì)必會(huì)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(shì)必是新能源汽車未來(lái)發(fā)展的重要方向。此外，在我國(guó)，汽車輕量化技術(shù)早已成為國(guó)家戰(zhàn)略，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《中國(guó)制造2025》中指出節(jié)能與新能源汽車領(lǐng)域是踏入制造強(qiáng)國(guó)，必須堅(jiān)持推進(jìn)的創(chuàng)新重點(diǎn)，并強(qiáng)調(diào)輕量化仍然是發(fā)展的重中之重；國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略委員會(huì)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(qiáng)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(jì)算機(jī)輔助技術(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)合適的先進(jìn)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(yàn)總結(jié)，汽車輕量化實(shí)現(xiàn)的方式主要從三個(gè)方面入手：一是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、拓?fù)鋬?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(dá)到最佳配置；二是選用合適的先進(jìn)工藝，如激光拼焊成型和熱成型技術(shù)、新材料的先進(jìn)成 型工藝和連接技術(shù)等；三是用合適的輕質(zhì)材料對(duì)已有結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)材料進(jìn)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(jìn)高強(qiáng)度鋼材、鋁合金、鎂合金、纖維復(fù)合材料、高級(jí)聚合物(無(wú)纖維增強(qiáng))等。汽車輕量化三個(gè)方面途徑是相輔相成的，材料是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及制造工藝的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造工藝是材料輕量化實(shí)現(xiàn)的方式；要實(shí)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(shì)必對(duì)基材及結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能表征和失效機(jī)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(dòng)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(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能提出更嚴(yán)格的要求；人類第一次提出夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想要追述到1849年，費(fèi)爾貝恩在描述北威爾士大不列顛管狀橋梁時(shí)提出了夾層結(jié)構(gòu)原理；并且通常通過(guò)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(gè)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(dòng)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(qiáng)度高，剛度大的特點(diǎn)外，在耐撞吸能、吸音降噪等方面也有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(shuō)航空航天，Delta系列運(yùn)載火箭有效載荷整流罩、隔熱罩，直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、槳葉，民用客機(jī)的機(jī)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(qiáng)度和剛度也降低了整體的重量；此外，在艦船防護(hù)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(tái)，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(xiàng)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(duì)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(chǎng)景不同，對(duì)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(qiáng)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(diǎn)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(qiáng)度、安全性以及盡可能大地達(dá)到減重效果的需要，主要采用纖維增強(qiáng)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(yùn)輸領(lǐng)域，纖維增強(qiáng)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(qiáng)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(duì)溫度和濕度的敏感更大；而與蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和點(diǎn)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(jià)格低、力學(xué)性能良好等特點(diǎn)，通常把鋁作為金屬泡沫的主要原料，通過(guò)發(fā)泡、粉末冶金等工藝制作成泡沫鋁，雖然泡沫鋁的強(qiáng)度并不高，且其抗拉強(qiáng)度約為普通鋁材的1/100,比強(qiáng)度是鋁的1/10；但泡沫鋁在壓縮過(guò)程中有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(tái)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(méi)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(qiáng)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(duì)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(yán)重影響其力學(xué)性能和在實(shí)際工程中的使用。事實(shí)上，汽車在行駛過(guò)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(xiǎn)杠、門檻梁等在一起事故中可能會(huì)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(duì)夾層結(jié)構(gòu)在多工況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)及失效機(jī)理等力學(xué)行為的探究是很有必要的。