闭孔泡沫铝力学特性及其在汽车碰撞吸能中的应用研究进展

(1. School of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640; 2. Guangdong Province Key Laboratory of Vehicle Engineering, Guangzhou 510640)
(1. 华南理工大学机械与汽车工程学院 广州 510640； 2. 广东省汽车工程重点实验室 广州 510640)
摘要：汽车低能耗、安全和轻量化已经成为汽车领域研究的热点问题，闭孔泡沫铝作为一种轻质吸能金属材料，在低密度下 具有良好的比刚度和比强度，同时具有良好的抗冲击性和能量吸收性，已逐渐引起汽车产业界地重视。简述泡沫铝单轴压缩 试验中弹性模量、抗压强度、屈服强度、平台应力、致密化应变等参数的定义和试验标准；综述闭孔泡沫铝的本构方程的研 究现状，重点讨论屈服面模型；总结泡沫铝的微观结构有限元建模方法，比较商业软件中集成的宏观材料模型。归纳吸能材 料的特点，分析闭孔泡沫铝的吸能能力和抗冲击能力；综述应变率和冲击速度对泡沫铝吸能特性有无影响的研究进展，并对 可能存在的影响进行解释。总结闭孔泡沫铝在汽车轻量化和碰撞安全性领域的应用，具体分析典型的案例。指出当前闭孔泡 沫铝的力学特性及其在汽车结构中应用存在的问题与难点，总结并提出本研究领域可以借鉴的研究方向。 关键词：泡沫铝；本构模型；应变率；吸能；碰撞；汽车轻量化 中图分类号：U467
第 50 卷第 22 期 2014 年 11 月
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学 报
Vol.50 Nov.
No.22 2014
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2014.22.097
闭孔泡沫铝力学特性及其在汽车碰撞吸能中的 应用研究进展*
兰凤崇 1, 2 曾繁波 1, 2 周云郊 1, 2 陈吉清 1, 2
同性 ，因此只需要知道闭孔泡沫铝的两个弹性模 量参数即可换算出其余参数，这些参数主要通过对 材料的试验研究获得，且对于泡沫铝而言，其弹性 模量的参数并不是固定的常数，而是与孔穴结构密 切相关的变量。 1.1 泡沫铝特性试验研究 为了确定泡沫铝的本构特性参数，对泡沫铝进 行的试验研究目前较多的有单向压缩、拉伸和静水 压力试验，这是最简单也是最高效的方法。泡沫铝 不同于实体铝，具有不同的试验标准，其杨氏模量 与强度等指标的测试，与泡沫铝表面状态、加载方 式、加持方式等有关，为了获得相对准确的结果， 需要严格参照标准进行试验。试样加工时，为了避 免泡沫铝的扭曲变形或者破坏其孔穴结构，应避免 采用传统的电锯切割等方法，电火花线切割、水射 流切割等精密加工方法经常被用到泡沫铝的试样切 割中。其试样尺寸应大于至少 7 倍的平均孔径，以 避免试验过程中因孔结构的不均匀性导致的尺寸效 [2] 应 。 泡沫铝的弹性模量 E 、抗压强度 σ bc 和压缩屈 服强度 σ s 可以通过单向压缩试验获取。 试验细则可 参照日本工业标准 JIS H 7902: 2008 《泡沫金属压缩 [3] 试验方法》 。 标准规定压缩试验试件可为方柱或者 圆柱，边长或者直径 D 应大于 10 倍的泡沫铝平均 至少应重复试验 孔径 d 0 ， 试件的高度 H = D～2 D ， 5 次以消除误差， 试验速度 v = aH ， 其中试件高度 H 单位为 mm，系数 a = 0.1～0.3 min −1 。 试验中，为了避免初始塑性变形对弹性变形区 应力-应变曲线的加载曲线斜率的影响， 杨氏模量 E 的测量应当以卸载曲线斜率计算得出，在加载应力 [2] 达到抗压强度的 75%时卸载 ，也可以在压缩产生 [4] 0.2%应变后卸载 。 目前，很多文献对泡沫铝特征参数的定义并不 清晰，如泡沫铝屈服强度、平台应力、密实化应变 等都没有一个明确的判断依据，这是首先需要澄清 的一个问题。压缩的屈服强度指泡沫铝呈现屈服现 象时，试样在力不再增加的情况下依然持续变形时 所对应的压缩应力，应当分为上压缩屈服强度 σ sH 和下压缩屈服强度 σ sL 。 上压缩屈服强度为试样发
[5因几何缺陷、形貌差异等原因导致其内 部结构的极不均匀，通过试验分析其力学变形机制 具有较大的随机性、效率较低，因此建立泡沫铝的 宏观唯象本构关系，从理论上进行分析是极其重要 的。研究材料本构关系，首先需要对能够表征材料 特性的若干关键参数进行研究，包括弹性模量、屈 服强度 σ s 等。其中，弹性模量包含弹性模量 E 、切 变模量 G 、体积模量 K 、泊松比 ν、拉梅第一参数 λ 和 P 波模量 M 。试验表明，开孔、半开孔泡沫铝 主要表现为各向异性，闭孔泡沫铝主要表现为各向
生屈服而力首次下降前的最高压缩应力，即为泡沫 [6] 铝的抗压强度 σ bc ； 下压缩屈服强度定义为屈服期 间不计初始瞬时效应时的最低压缩应力，默认下压 缩屈服强度为泡沫铝的压缩屈服强度 σ s 。 泡沫铝的
p 、 平台应力 σ pl 和密实化应变 ε D 等重 塑性泊松比 ν
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过滤器、电磁屏蔽材料等。对于闭孔泡沫铝，因其 内部分布有大量孔洞，虽会导致铝的强度、刚度等 力学性能有所降低，但其吸能能力大大提高；具有 其他多孔塑料不具备的金属焊接性、各向同性、耐 腐蚀、 不老化等特点； 同时具有致密铝没有的性质， 比如低电导率、低热导率、低密度、优异的隔音性 能、较高的能量吸收能力等；泡沫铝承受弯曲载荷 时，表现出优异的比刚度，泡沫铝夹层三明治材料 具有良好的抗剪强度和断裂强度。闭孔泡沫铝具有 以上多种优异的性能，尤其是在碰撞吸能领域，能 够在几乎恒定的压力作用下进行能量吸收，这是一 般结构的材料所不能实现的，因此泡沫铝在汽车工 业中极具发展潜力。同时，汽车的设计不能仅仅考 虑材料的单一性能，还要考虑到材料刚度、抗冲击 性、消声减振性、能量吸收性、声学、热学特性以 及复杂形状的加工生产成本等问题，泡沫铝可以轻 松地满足多功能性的要求，正是这种多功能性大大 提高了泡沫铝在汽车工业应用的竞争力。泡沫铝目 前已经应用到航空航天、高速列车、船舶、建筑、 医疗、通信、化工等多个方面，在汽车工业中的应 用研究也逐渐引起重视。在研究大量国内外相关文 献的基础上，阐述了构建本构方程所需参数的试验 获取方法，综述本构方程的发展现状，进而总结泡 沫铝的微观结构建模方法和基于材料本构模型的有 限元建模仿真方法。归纳总结出吸能材料的特点， 并对存在争议的话题——应变率效应的研究状况进 行了重点综述。最后以典型案例分析的形式讨论泡 沫铝的轻质吸能特性在汽车工业中的应用可行性及 发展前景，指出制约其快速发展的瓶颈，为今后的 研究方向提供借鉴。 探讨的主要内容为闭孔泡沫铝， 提到的泡沫铝，包括其理论、特性、经验公式等， 如未强调为开孔泡沫铝，则均指闭孔泡沫铝。
Abstract：Low energy consumption, safety and lightweight are the topic issues of the automobile industry. As a sort of lightweight and energy absorbing metallic material, the closed-cell aluminum foam has some advantage features of strong specific stiffness and specific strength with a low density, good impact resistance and energy absorbability, so it is brought to the new forefront of the automotive industry. The test criteria of uniaxial compression is described and the definition of several important parameters are clarified, such as Young modulus, compressive strength, yield strength, plateau stress and densification strain. The constitutive models of closed-cell aluminum foams are reviewed, among which the yield surface models are further emphasized. The modeling approaches of microstructure are summarized, and the macro material models integrated into commercial softwares are compared. Under summarizing the features of energy absorbing materials, the impact resistance and energy absorbability of closed-cell aluminum foams are especially analyzed. The influences of impact speed and strain rate are reviewed, and also some possible reasons are offered. The application of closed-cell aluminum foams in vehicle lightweight and crashworthiness is summarized, and several typical cases are analyzed. The problems and difficulties on understanding closed-cell aluminum foams’ mechanical properties and its applications in automobile structures are raised, and several feasible research directions are suggested. Key words：aluminum foam；constitutive model；strain rate；energy absorption; impact；auto lightweight