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)。
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,當屈服強度達到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,當材料應(yīng)變達到約98%時,由于強化效應(yīng)拉伸應(yīng)力升高至57 MPa,并且當應(yīng)變達到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)
為了確定仿真數(shù)據(jù)的準確性,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)。因此認為材料仿真數(shù)據(jù)準確,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
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
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?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%。