宋凯 吴永强 姚威 何智成 王振
摘要：通过轴向冲击试验研究碳纤维增强复合材料（carbon Fibre Reinforced Plastic，CFRP）层合板加强薄壁铝梁的吸能特性，分析铝梁和复合材料失效模式，对比承载能力经验值和试验结果，引入比吸能等指标对复合材料层合板加强薄壁铝梁吸能特性进行定量分析。结果表明，复合材料层合板可以显著改善薄壁铝梁的吸能特性，比吸能和碰撞力效率指标最大提高27%和35%，基于现有经验公式可以预测复合材料层合板加强薄壁铝梁的承载能力。
关键词：碳纤维增强复合材料；铝合金；薄壁结构；轴向冲击；吸能
中图分类号：TB333
文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.04.06
在汽车安全事故中，前部正面碰撞比率占所有碰撞事故的50%以上，而前纵梁、吸能盒、发动机罩等结构吸收的能量占整车前碰撞吸收能量的50%以上。汽车前纵梁通常为薄壁梁式结构，其变形模式和吸能特性与薄壁粱结构类似，因此对薄壁梁结构吸能特性的研究可以指导汽车前纵梁设计。
传统汽车前纵梁采用金属材料，依靠金属塑性变形吸收碰撞过程中的能量。金属梁有失效模式稳定的优点，但金属材料密度大，不利于车身轻量化和节能减排。
近年来，CFRP以较高的比强度、比刚度引起研究者的关注。Mamalis等对碳纤维复合材料薄壁方梁开展准静态和动态压缩试验，分析了几何参数、纤维铺设角度、压缩应变率对复合材料方梁失效模式和吸能特性的影响。益小苏等以复合材料管形件为基础，指出提高管形件轴向性能或提高纤维增强复合材料层问韧性有利于提高吸能效果。孟祥吉等对不同铺层的CFRP波纹梁进行了冲击试验与模拟，表明薄弱环节的设置需综合考虑复合材料性能和铺层。
然而，复合材料的失效是脆性的、不稳定的。一种新的研究趋势是在复合材料的外表包覆金属梁，利用金属梁的渐进叠缩引导复合材料发生稳定失效，从而吸收更多能量。Bambach等通过轴向冲击试验得出：钢一碳纤维复合材料梁吸能特性优于钢和复合材料单独使用。对比外表包覆复合材料的钢、不锈钢及铝合金梁吸能特性，给出金属一碳纤维复合材料梁轴向冲击下峰值载荷和平均载荷的数值估算方法。Kim等通过轴向冲击试验考察了CFRP厚度和铺层对铝合金一复合材料吸能盒吸能特性的影响。
泡沫、蜂窝内芯加强薄壁梁结构展现出优于单纯薄壁金属梁的吸能特性。将复合材料作为芯材可以解决包覆在外的复合材料受到刮擦、撞击产生损伤和脱落等导致其吸能能力下降的情况。目前复合材料内芯加强梁结构吸能特性的研究以玻璃纤维增强复合材料内芯为主，但CFRP有密度小的优点。Costas等对玻璃纤维、CFRP等内芯加强钢粱进行轴向压缩试验，结果玻璃纤维增强复合材料层合板加强钢梁吸能能力有所提高，但复合材料波纹板加强钢梁吸能能力却下降了，指出复合材料内芯的形式和结构需要合理设计。
织物复合材料适合成型形状复杂、厚度大的结构，单向层合板是复合材料应用的基本形式。本文选取T300斜纹碳纤维/环氧树脂单向层合板和薄壁铝梁为研究对象，通过轴向冲击试验考察复合材料层合板加强薄壁铝梁吸能特性。
首先，介绍复合材料层合板加强薄壁铝梁结构，进行复合材料和铝合金力学性能测试。然后，制备梁试样，开展轴向冲击试验。结合屈曲形态和载荷一位移曲线分析了单纯薄壁铝梁压溃过程；分析复合材料失效模式，讨论复合材料边界条件和厚度对薄壁铝梁吸能特性的影响；基于金属梁和复合材料层合板承载能力提出梁结构承载能力的预测方法。最后，引入比吸能等评价指标，对薄壁铝梁吸能特性进行定量分析。结果表明：复合材料层合板可以显著提高薄壁铝梁的吸能特性，比吸能和碰撞力效率指标最大提高27%和35%。
1.结构与材料
1.1复合材料层合板加强薄壁铝梁结构
复合材料层合板加强薄壁铝梁由薄壁铝梁和复合材料层合板组成，结构如图l所示。薄壁铝梁长390mm，截面尺寸为100mm×50mmx2mm，总体尺寸与汽车前纵梁接近。梁底部焊接铝合金板，与汽车前纵梁和吸能盒的连接类似，如图la所示。
复合材料层合板装配形式分为A型和B型。A型装配如图1b所示，两块完整层合板平行嵌入铝梁对角面。B型装配如图lc所示，层合板沿中心线切割狭长缝隙，按照切割情况将层合板划分为Ⅰ、Ⅱ两部分，两块层合板倒置交叉组合成十字形嵌入薄壁铝梁。
对于复合材料层合板，以竖直方向为0°，铺层时斜纹织物纬纱均沿0°方向，铺层分为4层和6层，以[O]4和[O]6。表示。本文复合材料层合板装配为三种内芯，以装配和铺层形式区分为：A型[O]6复合材料、B型[O]6复合材料和B型[O]4复合材料。
1.2材料力学性能
复合材料是各向异性材料，其性能受增强体影响很大，为了准确获取材料参数，根据相关标准对斜纹机织T300碳纤维/E5l环氧树脂层合板进行力学性能测试。测试采用MTS-Landmark50KN电液伺服试验机（图2），所得参数见表1。其中，E1、E分别为0°、90°方向弹性模量；G17，为面内剪切模量；u12为面内泊松比；σ1为0°方向拉伸极限；σ2：为90°方向拉伸极限；Ts为面内剪切强度。
铝合金材料为6063-T5，其密度为2 700 kg/m3，弹性模量为69GPa，屈服应力为145MPa，拉伸极限为189MPa。参照标准，通过准静态拉伸试验获取材料工程应力一应变关系，拉伸速度2 mm/min。在材料真实应力一应变关系曲线上选取适当的数据点定义材料塑性，如图3所示。
2.冲击试验及结果分析
2.1试验件
薄壁空心梁和铝合金底板经线切割和焊接加工成薄壁铝梁试样，结构和尺寸如上文所述。复合材料层合板由面密度为200g/m2的T300斜纹机织T300碳纤维布和E51环氧树脂通过真空袋法制成，纤维体积分数为45%。复合材料层合板经恒温120℃加热2h后室温冷却3h，然后经计算机数字控制机床（Computer Numerical Control，CNC）切割成所需形状。[O]4和[O]6铺层复合材料层合板实测厚度分别为1.03mm和1.51mm。参与试验的5个样件分别是：l号薄壁铝梁、2号薄壁铝梁以及A型[O]6B型[O]6和B型[O]4复合材料加强薄壁铝梁。
2.2试验方法
轴向冲击试验借助落锤装置完成，锤头直径200mm，配重200kg。冲击初始速度参照标准设为14m/s，锤头距样件上表面10m。样件底板被螺栓固定在承载平台上，两侧设有高150mm的缓冲块。轴向冲击试验设置如图4所示。
首先对单纯薄壁铝梁进行落锤试验，然后考察复合材料结构和厚度对薄壁铝梁吸能特性的影响。位移通过对称分布的拉杆电阻式位移计测量，冲击载荷通过锤头处的应变换算得到，数据采集系统由动态应变放大仪和LabVIEW Signal Express交互式软件组成，每ms采集1000个数据点。
2.3试验结果
2.3.1
单纯薄壁铝梁冲击试验结果
图5为单纯薄壁铝梁冲击载荷下渐进叠缩形态和载荷一位移曲线。薄壁铝梁与落锤接触后，不断累积细微形变，支反力迅速增加到最大值（A.1）。随着形变增加，铝梁抗弯刚度降低，支反力下降。形变进一步增大，产生塑性屈曲，屈曲过程中支反力上升并波动（A.2），形成一层完整的屈曲叠缩（A.3）。随后的塑性屈曲过程类似，但铝梁整体刚度己经下降，所以载荷没有达到最大载荷。铝梁渐进压溃过程中共形成3层完整叠缩。
根据Jones关于金属管壁宽厚比对金属管轴向压溃模式影响的研究，宽厚比介于7.5和40.8之间的金属管轴向压溃时表现出对称形态。本文中薄壁铝梁宽厚比为35，相应地所有试样均呈现对称形态。
2.3.2复合材料加强薄壁铝梁冲击试验结果
研究复合材料内芯对薄壁铝梁吸能特性的影响，首先要明确复合材料层合板的边界条件。Bolukbasi等指出，复合材料矩形板在平行载荷方向的边界条件分为双边简支和单边简支，前者对应更高的比吸能和峰值载荷。Feraboli利用特制夹具对复合材料层合板进行轴向压缩，通过改变层合板的横向支撑条件，发现层合板比吸能随自由部分长度的增加先减小后趋于不变。图6a为不同装配形式下复合材料层合板的边界条件。
Farlev等将连续纤维增强复合材料失效模式分为4种：（1）横向剪切模式，特征是层合板截面呈楔形，伴随一个或多个短的层问裂纹和沿纤维方向裂纹。其能量吸收由层问裂纹拓展和纤维束破碎控制。（2）分层弯曲模式，特征是平行纤维方向的层问、层内长裂纹，但纤维束没有破碎。层问和层内的裂纹扩展控制该模式的能量吸收。（3）脆性破碎模式，该模式可看作横向撕裂模式和分层模式的混合模式。其能量吸收机理是纤维束破碎，吸能较多。（4）局部屈曲模式，与延展性金属变形类似，经历塑性变形产生局部屈曲变形。其能量吸收由屈曲分层控制，吸能较少。
图6b为A型[O]6复合材料加强薄壁铝梁落锤试验结果俯视图。层合板边界条件为双边简支，横向支撑充分。层合板顶部出现少量脆性破碎，下部随着梁的变形产生局部屈曲，层合板处于装配位置。层合板受压缩屈曲，顶部与锤头不能保持垂直，所以仅产生少量脆性破碎。尽管复合材料失效模式为吸能较少的局部屈曲模式，但其横向支撑充分，所以试样比吸能大幅增加，峰值载荷提高。
图6c为B型[O]6复合材料加强薄壁铝梁落锤试验结果俯视图。层合板Ⅱ部分单边简支，横向支撑不充分。层合板与锤头垂直，受压缩产生大量脆性破碎，Ⅱ部分因横向支撑不足，被薄壁铝梁挤压发生扭转。复合材料以吸能较多的脆性破碎模式失效，试样比吸能增加；横向支撑不充分，峰值载荷小幅提高。
图6d为B型[O]4复合材料加强薄壁铝梁落锤试验结果俯视图。层合板与锤头垂直，顶部出现少量脆性破碎，Ⅱ部分因横向支撑不足产生扭转。复合材料层合板横向支撑不足且厚度薄，产生少量脆性破碎，所以试样比吸能几乎没有增加，峰值载荷略微提高。
图7为轴向冲击试验后薄壁铝梁剖切图。与单纯薄壁铝梁相比，复合材料加强薄壁铝梁也发生了吸能稳定的渐进叠缩，但受复合材料内芯影响叠缩不对称。
图8为冲击试验载荷一位移曲线图。复合材料加强薄壁铝梁与单纯薄壁铝梁的载荷一位移曲线趋势相同，表明复合材料加强薄壁铝梁也发生了渐进叠缩；前者载荷曲线高于后者，表明添加复合材料层合板后，薄壁铝梁载荷提高、吸能增多。
2.3梁结构承载能力预测
本节基于现有金属梁和复合材料层合板承载能
3.吸能特性评价
3.2吸能特性定量分析
表3列出了试样吸能特性相关指标具体数值，图9以单纯薄壁铝梁为基准，对比了不同复合材料加强薄壁铝梁比吸能和碰撞力效率。A型[O]6、B型[O]6和B型[O]4复合材料加强薄壁铝梁相对单纯薄壁铝梁比吸能分别提高27%，18%和6%，碰撞力效率分别提高13%、35%和15%。吸能特性量化对比结果表明：复合材料层合板可以显著改善薄壁铝梁的吸能特性。
4.结论
通过轴向冲击试验对复合材料加强薄壁铝梁吸能特性进行研究，分析了铝粱和复合材料轴向压溃失效模式。
吸能特性定量分析结果表明：复合材料层合板可以显著改善薄壁铝梁吸能特性，比吸能和碰撞力效率指标最大提高27%和35%。
基于现有经验公式预测复合材料加强薄壁铝梁的承载能力，得到的经验值和试验结果相对误差小于5.2%，表明该预测方法可行。
后续工作关注复合材料边界条件和厚度对薄壁铝梁吸能特性的影响，可以指导汽车前纵梁设计。
