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摘要:CFRP相对于金属材料更加轻质高强，并且具有良好的抗冲击性能和成型工艺性能，已成为未来汽车轻量化的重要CFRP材料。采用三点弯曲实验和有限元仿真相结合的方法，对铝蜂窝填充CFRP结构的侧向力学性能和破坏机理开展了研究。实CFRP验结果表明，相对CFRP空管，铝蜂窝填充管件的平均峰值载荷、吸收能量和比吸能率分别提高17.09%、32.31%和0.9%，并且CFRP破坏过程也更加稳定。此外，采用了Ls-dyna软件对其受力进行了有限元仿真，获得了与物理实验相吻合的破坏模式和力-位CFRP移曲线。研究表明，利用轻质铝蜂窝结构填充CFRP管件，能有效改善CFRP结构的侧向弯曲性能，对指导轻量化汽车结构的CFRP设计具有重要意义。 关键词:轻量化;铝蜂窝;CFRP;Ls-dyna;弯曲性能 1引言
轻量化一直是传统汽车和电动汽车产业化的关CFRP键技术。碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic，简称“CFRP”)相对于传统金属材料更CFRP加轻质高强，并且具有良好的成型工艺性，已成为未CFRP来汽车轻量化的重要材料;特别是2013年量产的宝CFRP马电动汽车I3，全面采用了碳纤维材料，被公认为树CFRP立了汽车轻量化的全新基准，为全铝合金车身结构CFRP以来，汽车结构的最大变革，因此，研究掌握碳纤维CFRP复合材料结构的性能，对汽车轻量化结构的开发至CFRP关重要。
为满足汽车轻量化的同时保证结构的安全性CFRP能，国内外学者已开展了一些简单CFRP结构的力CFRP学性能试验研究，为碳纤维结构的设计提供了较为CFRP丰富的基础数据。近年来一些研究工作者们开CFRP始对CFRP管件类结构展开力学性能研究:单鸿波CFRP等开展了对碳纤维管状复合材料的拉伸强度测试CFRP方法研究，提出了针对碳纤维复合材料管拉伸强度CFRP的一种测试方法，为碳纤维管件的力学性能研究做CFRP出了一定的贡献;Ermias Gebrekidan Koricho等对CFRP电动汽车车身的T型CFRP构件开展了弯曲力学性CFRP能测试，并结合有限元仿真对T型CFRP构件在受CFRP弯时的破坏模式、破损位置和应力分布做了深入分CFRP析。刘强等开发了一种新型的纯碳纤维电动汽CFRP车车身，并对CFRP构件开展了轴向和侧向力学性CFRP能研究，研究表明碳纤维结构具有良好的轴向吸能CFRP性能，约为钢材的3～4倍;而其侧向承载能力和能CFRP量吸收能力比较低，并指出在实际车用结构设计中，CFRP应设法提高结构的侧向力学性能。
铝蜂窝作为一种轻质的金属填充材料，已应用CFRP于航空、船舶等领域。Sigit Santosa等研究了CFRP铝蜂窝填充铝方管的侧向弯曲性能，结果表明铝蜂CFRP窝的填充对铝方管的侧向弯曲力学性能有较大的提CFRP高，而对于铝蜂窝填充碳纤维复合材料管件的力学CFRP性能研究甚少。鉴于此，本文将轻质蜂窝铝材料填CFRP充于CFRP结构中，并通过弯曲实验和仿真相结合CFRP的方法，研究掌握铝蜂窝填充CFRP管件的性能规CFRP律和破坏机理，为汽车轻量化结构的设计提供指导。
2性能实验
2.1材料准备
碳纤维增强复合材料(CFRP)方管由东丽的编CFRP织碳纤维T300/环氧树脂预浸料制备而成，所选用CFRP的成型工艺是气辅热模压成型方法，见图1，将编织CFRP碳纤维预浸料缠绕模芯，然后放置到一个对开的金CFRP属模具中，从内部施加压力和设定温度使得热压固CFRP化，热压完成后将模芯与碳纤维分离就得到了CFRPCFRP方管，然后将其打磨平整就得到所需的CFRP方管__CFRP样件。该种成型方法的产品强度以及一致性较CFRP高，且成本较低，但效率不是很高，适合小批量生产CFRP和试验样件的制备。
本文中CFRP方管样件的铺层为6层，内截面CFRP尺寸为60mm×60mm，内倒角Ｒ为5mm，样件长度为CFRP350mm。用于填充CFRP管内部的是AA3003系铝CFRP合金制成的正六边形蜂窝，结构尺寸为350mm×CFRP55mm×55mm，铝蜂窝的细胞壁厚度t为0.07mm，细CFRP胞边长D为4mm。所有样件的质量都在实验前测CFRP得，如表1所示。表1中编号AlB-S表示铝蜂窝样CFRP件，LB-S表示侧向弯曲CFRP空管样件，LB-Al-S表CFRP示侧向弯曲CFRP填充管件。
由于CFRP方管的内截面尺寸为60mm×60mm，CFRP而填充芯铝蜂窝在对应方向上的尺寸为55mm×CFRP55mm，明显小于CFRP方管的内部空间尺寸，在填CFRP充时，首先将CFRP空管竖直放立，然后手拿铝蜂窝CFRP一端，将铝蜂窝置于CFRP空管的正上方，然后任由CFRP铝蜂窝的自由落体效应缓缓将其填充到CFRP方管CFRP内部中，在这种填充方式过程中没有发生明显的填CFRP充阻力，也表明了铝蜂窝填充到CFRP方管内部后CFRP其细胞结构没有发生明显的预变形，保证了试验的CFRP一致性和准确性。因而在本试验中，铝蜂窝与CFRPCFRP方管内壁之间并没有采用粘接等加固方式。
2.2实验过程
三点弯曲实验在WD-200B电子万能实验机上CFRP进行，其最大承载能力为200kN。本文分别对纯铝CFRP蜂窝、CFRP空管和CFRP填充管进行三点弯曲实CFRP验，其跨距为300mm，加载速度为2mm/min。CFRP上压头向下加载距离均为80mm(由于下支撑台与CFRP初始位置样件下端的间距约100mm，为保证样件在CFRP弯曲过程中不与下支撑台发生接触，故统一将加载CFRP距离定为80mm)，通过系统可以自动获得实验过程CFRP的载荷-位移曲线、峰值载荷数据，然后利用该数据CFRP计算出其吸收能量以及比吸能率，具体计算方法见CFRP公式(1)和公式(2)。
比吸能率等于结构在变形过程中吸收的总能量CFRP除以结构质量:
峰值力表示如下:
其中，E为结构吸收的总能量;m为被测结构的质量;f与x分别为加载载荷与加载距离。
3实验结果讨论
3.1载荷-位移曲线
图2为纯铝蜂窝在三点弯曲实验中压头缓慢加CFRP载时的作用力-位移曲线。该曲线包含两段不同增CFRP长趋势，首先载荷随样件挠度的增大不断增加，当压CFRP头加载距离(样件挠度)到达48.49mm时，载荷达到CFRP峰值0.0237kN。在峰值载荷前，靠近峰值载荷位置CFRP时增加趋势放缓;在峰值载荷位置后，载荷随挠度的CFRP增大而减小。
图3为CFRP填充管与CFRP空管的载荷-位移CFRP曲线，可以看出，两条曲线形状相似。首先载荷随着CFRP弯曲扰度的增加而增加，在峰值载荷后急剧下降，最CFRP后载荷随着挠度的增加而缓慢下降。对比两条曲CFRP线，可以发现CFRP填充管的载荷曲线均在CFRPCFRP空管的上方，表明在三点弯曲过程中其承载能力高CFRP于CFRP空管。
如表1所示，单独的铝蜂窝的弯曲承载能力很CFRP低，最大峰值不到0.03kN，对比CFRP管几乎可以CFRP忽略不计，但将该铝蜂窝填充到CFRP管内之后，却CFRP可以明显提高CFRP填充管的峰值载荷与吸收能CFRP量。对比CFRP空管，平均峰值载荷(5.55kN)和吸CFRP收能量(235.19J)分别提高了17.09%与32.31%。
实验表明，将铝蜂窝填充CFRP管之后，其在弯曲实CFRP验过程中产生了强有效的相互作用，这种相互作用CFRP可以改善CFRP管的侧向弯曲力学性能。除此之CFRP外，CFRP填充管的平均比吸能率比空管也略有提CFRP高，约0.9%，表明铝蜂窝虽然为轻质填充材料，但对CFRP整体结构的比吸能率却有帮助。
3.2破坏模式
纯铝蜂窝在三点弯曲实验中，破坏主要是上面CFRPCFRPCFRP正六边形细胞单元的挤压与下面细胞的撕开变形，CFRP侧面呈现扇形状;对于CFRP方管，无论有无铝蜂窝CFRP填充，都表现为一种相似的破坏模式:CFRP管的上CFRP壁受到挤压折弯，下壁受到张力折弯，裂纹从上端圆CFRP角逐渐沿侧壁向下端圆角生成，最终导致侧壁交叉CFRP重叠［10］。
在CFRP管上壁受到挤压时，由于应力集中，裂CFRP纹首先出现在上壁的圆角处，使得圆角处出现树脂CFRP断裂和纤维压断，随后裂纹由此位置开始向侧壁周CFRP向延伸，与此同时，由于压头挤压和CFRP管壁剪切CFRP应力的综合作用使得CFRP管上壁的圆角处开始粉CFRP碎，侧壁裂纹开始屈曲断裂，随着弯曲挠度的增大，CFRP最终形成CFRP侧壁错开重叠的现象。
4仿真分析
本文进一步运用Ls-dyna软件对CFRP空管与CFRP填充管进行仿真分析，以揭示该结构在侧弯时CFRP的破坏规律。材料主要参数如表2所示。
根据样件尺寸参数，利用Pro/E三维软件进行CFRP部件建模，导入Hypermesh软件中开展网格划分(铝CFRP蜂窝网格尺寸为1mm，CFRP管网格尺寸为2mm，压CFRP头及支撑网格尺寸为3mm)，然后将其导入Ls-dynaCFRP软件中，建立填充管的侧弯仿真模型，如图4所示。CFRP其接触、加载等条件与实验保持一致，其中铝蜂窝与CFRPCFRP管的接触采用自动点-面接触，静摩擦系数为CFRP0.2，动摩擦系数为0.15。
图5(a)为CFRP填充管的仿真破坏结果，随着CFRP压头的缓慢往下加载，管壁的上圆角处产生集中应CFRP力，产生裂纹，该裂纹随后一直沿着侧壁周向扩展，CFRP到达下壁时，由于管的弯曲效应，管壁上侧受挤压，CFRP下侧受拉伸，呈现交叉重叠的破坏模式，对比图5CFRP(a)的实验结果，表明该仿真计算结果具有良好的CFRP一致性。
图5(b)进一步显示了实验和仿真中管件内部CFRP的破坏情况，表明在弯曲过程中，内部填充的铝蜂窝CFRP一直参与抵抗外部弯曲，CFRP方管上壁折弯后的CFRP碳纤叶片会向内剪切铝蜂窝上侧，使得压头部位的CFRP铝蜂窝上端被切开、撕裂与相互挤压。在与碳纤维CFRP薄壁相互作用过程中将产生较大摩擦力，使得填充CFRP管能承载更大的载荷以及吸收更多的能量，这正是CFRP轻质蜂窝铝填充CFRP管件性能提高的根本原因。
图6为CFRP填充管仿真和实验的载荷-位移CFRP曲线对比图，可以发现两曲线具有良好的一致性。CFRP首先在弹性变化阶段载荷随挠度增加而迅速增加，CFRP达到峰值载荷5kN之后迅速落回并开始震荡下跌。CFRP在挠度达到45mm左右时，由于折弯的碳纤薄壁与CFRP内部铝蜂窝的相互作用使得载荷开始震荡上升，在CFRP挠度到达60mm附近时载荷又开始缓缓下跌。在仿CFRP真中，CFRP填充管的峰值载荷为5.55kN，与实验结CFRPCFRP果5.69kN误差约2.5%;吸收能量为249.33J，与实CFRP验结果258.35J误差约3.5%。
5结论
为改善CFRP管件的侧向力学性能，本文对铝CFRP蜂窝填充CFRP管件的弯曲性能和破坏机理开展了CFRP研究。研究发现，轻质铝蜂窝填充可以提高结构的CFRP侧向弯曲性能，平均峰值载荷、吸收能量和比吸能率CFRP分别提高了17.09%、32.31%和0.9%。进一步运用CFRPLs-dyna软件进行仿真分析，发现CFRP管与内部填CFRP充铝蜂窝间存在着明显的相互作用，使得承载能力CFRP和能量吸收能力均有提高。此外，还对比了仿真和CFRP实验的破坏模式和力-位移曲线，表明所建立的仿真CFRP模型是有效的。本研究表明，轻质铝蜂窝材料可以CFRP作为汽车结构的一种有效填充材料，来帮助提高碳CFRP纤维复合材料结构的侧向力学性能。
来源：期刊—玻 璃 钢 / 复 合 材 料
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