闭孔泡沫铝夹层结构耐撞性研究（一）

1.1 研究背景

在全面实现建成小康社会的发展过程中，我国国民经济保持迅猛发展，据有关数据统计，中国2019年的GDP已达到99.08万亿元，长期稳居世界第二，并且近年来GDP的增长率仍保持在6%~10%的中高速发展，远高于美国的2%。中国地大物博，人口基数巨大，加之经济水平不断提高，人民生活品质不断改善，为汽车行业的发展，尤其是私家车的发展提供了广泛的市场条件和物质基础。从1956年第一台“解放牌”汽车下线到2019年总销量2576.9万辆，我国汽车产销量已连续十一年位居全球产销榜首，总销量大约占全球的30%,而我国汽车保有量也高达2.4亿辆；虽说在2018年和2019年中国市场汽车销量同比下降2%和8%，并且预计在2020年可能仍有小幅2%的下降，但这市场的寒冬期毕竞是短暂的，相关专家预计汽车销量或将在2023年出现正增长拐点。汽车作为我国支柱型产业，其地位也是不容忽视的，据国家统计局统计，2019年我国汽车制造业实现营业收入高达8.08万亿元，占规模以上工业企业营业总额的7.6%。

汽车行业在推动我国经济发展和为国民生活带来便利的同时，也带来了一些不容忽视的问题，例如：空气污染严重、能源消耗不断增加等等。为了减少这些问题给人民生活带来的影响，整车轻量化技术和新能源技术始终是汽车研发工艺制造探索的重要方向。虽然近年来，新能源汽车环保理念渐入人心，并且在技术和产业发展上获得了国家的支持和消费者的认可，但由于受到如“三电”等核心技术瓶颈的限制，新能源汽车或难在短时间内引领市场的主流，在此背景下，发展汽车轻量化仍是汽车行业节能减排的重要举措；据诸多研究数据表明，传统燃油车的重量每下降10%,汽车在行驶过程中能节省燃油消耗7%左右，减少排放量5~6%左右；据某公司统计，汽车每减重100kg，油耗降低0.3~0.6L/100km、CO₂的排放量减少5g/km。轻量化技术不仅仅对传统燃油车的发展有积极的作用，对新能源汽车技术的革新发挥着功不可没的作用，电动汽车作为新能源汽车中的一种，其整车的架构大体是在传统燃油汽车的架构下，去除发动动机、油箱等部件后加入“三电系统”，而加入部分的重量远比除去部分的重量要重许多，通常电动汽车整车整备质量会增加20%~40%，而汽车重量的增加，势必会影响其续航里程和行驶安全性，而新能源汽车轻量化能提高其续航里程和节约成本，研究表明，新能源汽车整备质量降低10%,其续航里程增加5%~10%，电池成本节约15%~20%，日常损耗节约20%，因此，汽车轻量化技术也势必是新能源汽车未来发展的重要方向。此外，在我国，汽车轻量化技术早已成为国家战略，国务院印发的《中国制造2025》中指出节能与新能源汽车领域是踏入制造强国，必须坚持推进的创新重点，并强调轻量化仍然是发展的重中之重；国家制造强国建设战略委员会和工信部委托发布的《节能与新能源汽车技术路线图》中“1+7路线图”明确了轻量化技术的发展方向。

汽车轻量化是保证汽车结构强度、行驶安全性和结构功能性的前提下，选取合适的材料，利用计算机辅助技术结构优化，通过合适的先进工艺制造出重量尽可能轻的零部件或者结构。据以往经验总结，汽车轻量化实现的方式主要从三个方面入手：一是结构优化设计，通过形状优化、尺寸优化、拓扑优化、形貌优化，在满足其结构性能的前提下，减少多余材料的使用，使结构的材料达到最佳配置；二是选用合适的先进工艺，如激光拼焊成型和热成型技术、新材料的先进成 型工艺和连接技术等；三是用合适的轻质材料对已有结构的传统材料进行替换，而最有潜力作为替换材料应用到车辆上的几类材料，比如有先进高强度钢材、铝合金、镁合金、纤维复合材料、高级聚合物(无纤维增强)等。汽车轻量化三个方面途径是相辅相成的，材料是结构优化设计以及制造工艺的基础，结构优化设计和制造工艺是材料轻量化实现的方式；要实现结构材料的合理配置以及选用合适的结构构型首先势必对基材及结构进行力学性能表征和失效机理分析。

夹层结构在自然界中几乎随处可见，比如树的树枝树干、动物和人体的骨骼都是夹层结构，这些天然的夹层结构需要承受自然界中反复的弯曲、压缩，甚至扭转等组合工况，这就对结构的力学性能提出更严格的要求；人类第一次提出夹层结构的设计思想要追述到1849年，费尔贝恩在描述北威尔士大不列颠管状桥梁时提出了夹层结构原理；并且通常通过胶粘剂或者焊接等工艺方式将芯层与面板连接在一起形成一个整体，这种结构类似于形成工字梁，两面板被厚度较大的芯层分离，增大了面板的转动惯量，能很大程度增加结构的抗弯和抗屈特性。

夹层结构除了重量轻，结构强度高，刚度大的特点外，在耐撞吸能、吸音降噪等方面也有独特的优势，所以这种结构不仅在轻量化方向有着很大的应用潜能，在其他很多领域都有广泛的使用；比如说航空航天，Delta系列运载火箭有效载荷整流罩、隔热罩，直升机的发动机短舱、桨叶，民用客机的机身、内饰、底板等均采取夹层结构，既保证了结构的强度和刚度也降低了整体的重量；此外，在舰船防护结构如船体、舱壁、居住区的隔板，支撑结构如甲板、天线平台，铁道车辆上的车体、车门、地板都可以见到夹层结构的身影。夹层结构在汽车上的应用，主要是把多孔材料作为结构件的填充物，一方面减轻了结构的质量，另一方面提高结构的抗弯刚度和吸能特性；由欧盟资助的“SmartBatt”项目制造的电池壳体，底部是由铝面板和铝混合泡沫芯制成的夹层结构，该电池组的重量相对于传统技术制造的电池重量减轻了10-15%；此外，轻质泡沫材料还可以用在门槛梁、B柱、前纵梁、吸能盒、车身覆盖件等部位以增加其结构的刚度和吸能。

根据应用场景不同，对夹层结构的性能要求也不一样，夹层结构面板和芯层的材料选取也不一样，并且芯层的结构形式有很多，使得夹层结构的种类繁多。夹层结构的面板材料通常分为弹塑性材料和脆性材料两大类，弹塑性材料通常为金属材料，比如铝合金、钢材等；常见的脆性材料有纤维增强复合材料等。芯层结构主要有软木、金属蜂窝、纸蜂窝、点阵结构、聚合物泡沫、金属泡沫以及以上提到的材料结构混合的结构形式。在航空航天领域，为了满足结构强度、安全性以及尽可能大地达到减重效果的需要，主要采用纤维增强复合材料作为面板和纸蜂窝或者软木等作为芯层的夹层结构。在交通运输领域，纤维增强复合材料由于其优越的性能也逐渐深入人心，在汽车上也常见其身影，如车身、内饰件、刹车片等等；但纤维增强复合材料作为夹层结构的面板，与金属夹层结构在耐撞性上孰优孰劣，仍值得深入探讨。相比金属泡沫，软木、聚合物泡沫、 Nomex蜂窝、胶合铝蜂窝的力学性能对温度和湿度的敏感更大；而与蜂窝夹层结构和点阵结构不同的是，金属泡沫夹层更容易加工成复杂的曲面结构，并且结构的耐撞性更好。由于金属材料铝有着密度小、价格低、力学性能良好等特点，通常把铝作为金属泡沫的主要原料，通过发泡、粉末冶金等工艺制作成泡沫铝，虽然泡沫铝的强度并不高，且其抗拉强度约为普通铝材的1/100,比强度是铝的1/10；但泡沫铝在压缩过程中有着其独特的优势，泡沫铝典型压缩应力-应变曲线，曲线中存在一段较宽的应力带，称之为应力平台阶段，在此阶段下泡沫铝有能承受较大的塑性变形的能力，并且没有明显的回弹现象，这使得泡沫铝非常适合作为汽车结构件的填充物，在汽车碰撞安全方面有着很大的应用潜能；此外，泡沫铝在吸声降噪，耐热阻燃，电磁屏蔽等方面都有着出色的作用。

从力学性能角度而言，夹层结构具备轻质高强的特性，是由其结构材料配置合理性和结构形式的完整性决定的。相对较多的材料选择和结构配置使得夹层结构尽管在同一工况下表现出不尽相同的失效模式，而这种相差性的主要影响因素是由面板芯层以及胶层的力学性能和几何尺寸等决定的。此外，夹层结构在不同受工况下，尤其是在面内冲击和面外受载下，芯层材料与面板材料之间的胶层的失效程度差异性较大，其结构的完整性能难得到保证，从而严重影响其力学性能和在实际工程中的使用。事实上，汽车在行驶过程中车身结构的受载情况是复杂多变的，并且同一结构往往受到的工况也是不一样的，例如，车身覆盖件可能受到道路上的飞石、空中的冰雹意外冲击；车身结构件保险杠、门槛梁等在一起事故中可能会受到前后车的追尾，在另外一起事故中可能受到侧面碰撞；所以对夹层结构在多工况下进行结构响应及失效机理等力学行为的探究是很有必要的。