在汽车轻量化研究中，金属-纤维增强复合材料有哪些优势和作用？

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文丨江柊留声机

编辑丨江柊留声机

在当前全球汽车工业中，追求更高的燃油效率和减少CO2排放已成为迫切的需求，因此轻量化设计在该领域引起了广泛的关注。为了实现汽车的轻量化，不仅需要寻找高性能材料，还需要探索材料的组合与优化设计。

而金属-纤维增强复合材料正因其独特的力学性能而成为实现这一目标的有力工具。文章将深入探讨金属-纤维增强复合材料在汽车轻量化中的应用，特别关注了该材料在弯曲性能方面的研究。

金属-纤维增强复合材料在汽车轻量化中的应用

轻量化设计由于减少CO2排放的需求在汽车工业中引起了越来越多的关注，开发轻量化材料是汽车轻量化领域的主要研究方向之一。

轻量化可以通过使用单一高性能材料（例如高强度材料）或通过组合不同材料形成复合或混合结构来实现。

应用高强度材料可以通过减少结构的壁厚来降低重量，但是过度减小壁厚可能会导致结构稳定性不足而产生结构失稳。

纯复合材料的应用（例如碳纤维增强聚合物，CFRP）具有成本高和生产周期长的缺点。

因此，提出了利用两种材料形成混合结构的想法，充分利用各自的优势并相互补充，这个想法与“在合适的位置应用合适的材料”的轻量化设计理念相吻合。

混合结构的优化设计充分发挥了各组成部分在强度、刚度和减重方面的优势，并允许平衡混合结构的成本和重量。

金属-纤维增强复合结构由金属和纤维增强聚合物（FRP）制成，金属和FRP通过粘接粘合。

金属作为结构组件的基础，FRP通过高比强度和比刚度较高的纤维（例如碳纤维、芳纶纤维等）提供了增强结构的力学性能（如承载能力和刚度）的可能性。

此外，金属-纤维增强复合材料的力学性能随着纤维和基体类型以及纤维取向而变化。

因此，金属材料（即具有良好韧性和抗冲击性的材料）克服了FRP的缺点（例如低延展性和差抗冲击性），金属和FRP的组合产生了出色的整体力学性能。

最早的金属-纤维增强复合材料应用可追溯到上世纪70年代，航空航天工业引入了一种新的混合材料，即芳纶纤维增强铝层压板。

它结合了铝合金的优越抗冲击性和芳纶纤维增强聚合物（AFRP）的疲劳性能，以提高混合结构的裂纹扩展抵抗性。

目前，金属-纤维增强复合材料，例如铝合金和玻璃纤维增强聚合物（GFRP），广泛应用于空中客车A380飞机。

在上世纪90年代，FRP逐渐传播到土木工程领域，在这里，FRP作为混凝土或钢结构的加固材料，可以满足结构强度和耐蚀性的特定要求。

1995年神户地震后，FRP被用于修复和维护混凝土梁以抵御地震作用，自那时以来，FRP受到工程界的广泛关注。

CFRP在这个领域被广泛使用，通常通过粘接剂（如环氧树脂）粘接在钢结构表面以共同承担载荷。

研究发现，CFRP的加固极大地增加了未损坏结构的承载能力，或者防止了受损结构中的裂纹起始和传播。

此外，与其他加固方法（例如将钢板外部粘接到混凝土结构）相比，CFRP的加固具有高耐腐蚀性并且几乎不会增加重量。

自2010年以来，金属-纤维增强复合结构逐渐应用于汽车工业，主要用于提高汽车车身零部件的能量吸收、NVH性能和承载能力。

一种Al-GFRP混合前保险杠，由Benteler制造，其中GFRP用于增强铝合金前保险杠的抗碰撞性能。

报道称，Al-GFRP混合结构成功提高了碰撞测试中的能量吸收，并减轻了45%的重量，与钢-铝组件相比。

一种由Hexcel的快速固化碳纤维预浸料加固的铝制次车架，通过测试结果表明，这种混合次车架通过粘接仅500克的CFRP预浸料，在改善整体NVH性能方面取得了积极效果，并且其总重量与全金属车架相比显著降低。

被动安全性是汽车工业的关键问题，A柱总成和B柱总成等安全部件在确保车辆安全方面发挥着重要作用，以在侧面碰撞时抵抗弯曲，局部加固安全结构是提高其刚度和承载能力，实现出色碰撞性能的常见方法。

有一种软顶敞篷车的混合A柱总成，应用于保时捷911系列车型，A柱总成由几个元素制造，即玻璃纤维和高强度钢，并且所有元素都通过粘接剂粘接。

混合A柱总成在碰撞性能方面与传统A柱总成相似，但重量比全钢A柱总成轻约5千克。

2015年，宝马7系首次通过铆接粘接预制的CFRP加固件来加固B柱总成，这在车身碰撞性能和减重方面取得了改善。

在比较了由裁剪焊接钢板制成的B柱与钢-CFRP混合结构的碰撞测试结果，结果显示，与裁剪焊接钢制B柱相比，混合结构的重量减少了44%，而碰撞性能提高了10%。

钢-纤维增强复合材料的弯曲性能及分析模型研究

金属-纤维增强复合结构是复杂的多组分和多界面系统，已经有报道称，混合结构的力学性能和变形行为受到FRP和金属的力学性能、金属和FRP之间的界面性能、纤维取向以及施加载荷方向的影响。

有限元方法通常用于研究金属-纤维增强复合结构的力学行为，特别是用于预测变形过程中的渐进性破坏。

通过构建一个3D本构模型，预测了铝的延性损伤、GFRP的破坏以及Al-GFRP复合材料的界面剥离在三点弯曲过程中的情况。

对静态弯曲加载下的Al-CFRP复合材料的渐进性损伤行为进行了建模后，发现多层Al-CFRP复合材料的渐进性损伤行为受到复合材料中碳纤维-环氧层的位置的影响。

在平面弯曲条件下开发了一个Al-CFRP复合材料的数值模型，其模拟结果表明，主要的损伤模式是中跨中的铝屈服和铝与CFRP层之间的剥离。

利用FE模拟研究了金属体积分数对Al-CFRP混合梁的破坏模式的影响，发现随着金属体积分数在Al-CFRP混合梁中的增加，破坏模式从混合梁中跨中的破裂变为逐渐变形。

一些研究分析了金属-纤维增强复合结构在三点弯曲或轴向压缩过程中的初始刚度、弯曲载荷与位移以及能量吸收等力学行为。

上述研究表明，有限元模拟是预测钢-纤维增强复合结构变形行为的重要工具。

然而，仅仅通过有限元模拟还难以理解和清楚阐明金属-纤维增强复合结构的强化机制。

尽管如此，分析模型在描述和分析这种机制方面具有重要意义，文献中现有的理论研究主要集中在预测金属-纤维增强复合材料的界面应力，以避免在变形过程中的剥离。

一项分析研究预测了通过粘接预应力或非应力FRP板加固的简支钢梁的界面剪应力，并给出了钢与FRP之间界面剪应力的分布在典型边界条件下的情况。

在其中还发现，预应力FRP不会影响板条梁的刚度，但有助于提高其屈服和最大弯曲载荷。

构建一个理论模型，考虑了蠕变和收缩效应，描述了在弯曲载荷下FRP加固混凝土梁的界面应力分布。

基于变形兼容性方法，提出了一种解决简支混凝土-FRP混合梁界面应力的理论分析方法，并得出了剪应力在粘接层厚度方向上呈抛物线分布的结论。

然而，关于金属-纤维增强复合材料和/或混合结构的力学性能的研究非常有限，并且相关的分析模型主要是在拉伸条件或轴向压缩条件下开发的。

此外，目前的模型只能预测弹性变形下的混合结构的力学性能，并且在基础研究中需要考虑金属的非线性力学特性（如塑性变形）。

钢-纤维增强复合材料在弯曲、压缩和拉伸等不同情况下表现出不同的行为，还应注意，在碰撞中，例如侧面碰撞中的A/B柱总成和前部碰撞中的前保险杠，弯曲是车辆安全结构的典型变形模式。

构建一个理论模型来描述薄壁结构的弯曲失效行为，薄壁结构的弯曲过程可以看作是两种变形模式的组合，即顶部和底部薄板的弯曲变形，以及两侧壁的压缩变形。

因此，研究钢-纤维增强复合材料的弯曲性能对于系统地理解钢-纤维增强复合材料在变形过程中的行为和强化机制至关重要，而所采用的分析方法在将FRP加固应用于汽车车身中发挥了关键作用。

在这项工作中，通过三点弯曲测试研究了钢-纤维增强复合材料的弯曲性能，推导了一个考虑钢塑性变形的分析模型，用于计算钢-纤维增强复合材料的弯曲力矩和弯曲载荷。

进行了钢-纤维增强复合材料的三点弯曲试验以验证分析模型，基于分析模型，讨论了FRP对钢-纤维增强复合材料的弯曲力矩和能量吸收的增强效果。

DP980-FRP复合材料的弯曲性能分析

为评估DP980-FRP复合材料的弯曲性能，通过实验测量和分析计算获得了测试样品的弯曲承载能力和初始弯曲刚度。

根据推导的分析模型，计算了试样的弹性和塑性变形以及能量吸收。

DP980-FRP复合材料的分析计算弯曲载荷与冲头位移曲线，同时还包括了单一DP980板的分析计算弯曲载荷与冲头位移曲线进行对比。

在三点弯曲过程中，随着冲头位移的增加，弯曲载荷也增加，而在钢达到屈服之前，分析计算的弯曲载荷呈现线性趋势增加。

与单一DP980板相比，钢-FRP复合材料的初始刚度和承载能力显著提高，在三点弯曲试验中，弯曲载荷与冲头位移曲线的突然下降表明钢-FRP复合材料的纤维发生了破坏（断裂）。

在三点弯曲试验中，钢-FRP复合材料的初始刚度可以通过钢在弹性变形状态下的弯曲载荷与冲头位移之比来计算。

与单一DP980板相比，DP980-CFRP300_L、DP980-CFRP200_L和DP980-AFRP450_L复合材料的初始弯曲刚度分别提高了126.75%、75.25%和140.12%。

DP980-CFRP300_L、DP980-CFRP200_L和DP980-AFRP450_L复合材料的最大弯曲载荷分别增加了170.18%、126.67%和234.22%。

具有纤维沿90°方向的钢-FRP复合材料在弯曲性能方面的改进较小，这并不令人意外。

这种有限的改进归因于纤维沿横向方向的不良弹性特性（如低弹性模量和抗拉强度），因此，本研究仅讨论沿0°方向纤维的钢-FRP复合材料。

比较了钢-FRP复合材料的初始刚度和最大弯曲载荷的实验结果和分析计算结果后，还对比了三种DP980-FRP复合材料和单一DP980板的弯曲载荷与冲头位移曲线。

可以观察到最大弯曲载荷和初始刚度的最大偏差分别为2.83%和5.16%，因此，所推导的分析模型与实验数据具有很好的一致性。

单一DP980板在凸表面上的弯曲半径Ro与冲头位移D的分析计算和实验结果，最大偏差为10.78%。

至此，钢-FRP复合材料的弯曲性能分析模型已经得到了验证，对于FRP织物的破坏模式，观察到在FRP处出现了裂纹，并沿宽度方向扩展。

在这项研究中，未观察到环氧基体的剥离，即在FRP断裂之前，这表明钢-FRP复合材料的破坏是达到了FRP的断裂应变极限，同时也证明了假设是合理的。

本文全面探讨了金属-纤维增强复合材料在汽车应用中的弯曲性能及分析模型研究。

通过对不同案例和实验的介绍，以及分析模型的推导和验证，文章强调了这种复合材料在轻量化和强化汽车结构方面的潜力。

这项研究为汽车工业的轻量化设计提供了有力的支持，并为进一步深入研究金属-纤维增强复合材料的应用提供了思路和方法。