非均质秸秆纤维复合材料保险杠蒙皮刚度分析

刘军舰，胡豪胜，周磊，李伟,2a

材料与成形性能

非均质秸秆纤维复合材料保险杠蒙皮刚度分析

刘军舰1，胡豪胜2a,2b，周磊1，李伟1,2a

（1. 上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007；2. 武汉理工大学 a. 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室；b. 汽车零部件技术湖北省协同创新中心，武汉 430070）

研究非均质秸秆纤维复合材料保险杠蒙皮的刚度性能。采用试验与模拟分析的方法，通过共混挤出与化学发泡注塑工艺制备微发泡秸秆纤维/聚丙烯（SF/PP）复合材料试样，通过试验测试非均质结构试样的力学性能与微观结构，通过有限元分析手段建立非均质微发泡秸秆纤维/PP复合材料结构分析模型，并分析非均质材料保险杠蒙皮的刚度性能。微发泡秸秆纤维/聚丙烯（SF/PP）复合材料的微观结构有明显的“三明治”结构特点，秸秆纤维主要分布在外皮层，泡孔主要分布在芯层。将非均质秸秆纤维复合材料保险杠蒙皮近似为3层复合板结构，建模的刚度分析结果与试验测试相差约6%。非均质秸秆纤维复合材料汽车注塑件可近似为3层复合板结构进行数值分析，简化了分析过程，研究结果可用于指导产品性能评估，提高产品开发效率。

微发泡；植物纤维复合材料；非均质；力学性能

复合材料由于其组成材料在性能上相互协调，具有抗疲劳性能好、比模量高、比强度高、轻质及减振性能好等优点，在汽车工业中得到广泛应用[1-2]。天然植物纤维具有长径比大、比强度高、比面积较大、密度低及可生物降解等优点，因而植物纤维/热塑性树脂（PFRPT）复合材料在汽车零部件制造上具有广泛的应用前景[3]。Ayrilmis等[4]以椰壳纤维代替玻璃纤维来制造复合材料汽车门饰板，研究了椰壳纤维含量对汽车门内饰板力学性能的变化规律。周松等[5-6]以竹纤维（BF）/聚丙烯（PP）为对象，研究表明加入马来酸酐可提升BF/PP复合材料的力学性能。Takagi等[7]研究了天然纤维增强复合材料的功能特性。在交叉层蕉麻纤维的质量分数为29%～72%时，复合材料的拉伸强度近乎线性增加，最大值达到200 MPa。Deng等[8]研究表明，通过马来酸酐PP进行偶联，洋麻纤维（KF）/PP具有较好的力学性能。张建[9]和朱碧华等[10]研究发现，水稻秸秆纤维与树脂之间的结合性较好，内部缺陷较少。汽车内外饰塑料零部件大都采用注塑工艺制备，微发泡注塑工艺制得的复合材料制品内部具有致密均匀的微孔，密度低、抗冲击性能较好，是目前汽车内外饰塑料制品轻量化的重要途径[11]。Bledzki等[12-13]研究了植物纤维含量对发泡后复合材料的力学性能和微观结构的影响。吕多军[14]也研究了发泡剂和木粉含量对木粉/高密度聚乙烯（HDPE）复合材料力学性能、密度和泡孔结构的影响，研究结果对推动植物纤维复合材料在汽车零部件上的应用起到了较好作用。

将植物纤维复合材料应用在汽车内外饰零件上时，零部件结构设计需充分考虑材料性能，采用数值模拟方法分析产品力学性能是汽车零部件结构优化设计的重要手段。目前对于微发泡植物纤维复合材料的研究主要集中在材料制备、注塑工艺等方面[15]，对其制品的力学性能模拟分析尚少见报道。微发泡复合材料由于其内部的微孔结构导致材料呈现出非均质性，其制品的力学性能如采用整体均质材料开展分析将影响结果的精确度。为更好地满足微发泡植物纤维复合材料制品的设计需求，文中制备了微发泡SF/PP复合材料，测试分析其结构特点，提出将非均质微发泡秸秆纤维/PP复合材料视为“三明治”结构，简化力学分析模型，并分析微发泡SF/PP复合材料保险杠蒙皮的力学性能。

1 试验

1.1 材料制备与测试

文中以秸秆纤维（SF）和聚丙烯（PP）为试验材料，采用聚丙烯基材与秸秆纤维母粒共混挤出造粒制备SF/PP复合材料；添加化学发泡剂后注塑成形，制备微发泡SF/PP测试样条。采用原材料如表1所示。采用试验设备如表2所示。

表1 试验材料

Tab.1 Experimental materials

表2 试验设备与仪器

Tab.2 Experimental equipment and devices

将PP与秸秆纤维母粒干燥后，按一定质量比进行配比、共混、挤出、造粒。挤出机机头温度为180 ℃，Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区温度分别为190，195，195，195 ℃，喂料机转速为5 r/min，主机转速为5.5 r/min。将SF/PP复合材料烘干2 h后，添加一定质量比的发泡剂AC，混合5 min后注塑成形，制备测试样条。注塑机各区温度依次为180，185，185，185 ℃，注射压力为70 MPa，冷却时间为20 s。

按GB/T 1033.1—2008测试密度，按GB/T 1040—2006测试拉伸性能；在偏轴拉伸试验中，将拉伸试验的纵向与注塑方向之间的夹角定义为偏轴角，在注塑成形的方块样板上机加工裁取获得偏轴角为0°，45°，90°的标准拉伸试样，测试应力和应变等相关试验数据[16]；采用GB/T 1449—2005进行三点弯曲试验；采用液氮对样条进行脆断，然后对样条断面进行SEM分析。

1.2 微观结构分析

PP与SF质量比为90︰10，添加质量分数为4%的AC后注塑得到的样条断面SEM图见图1。由图1可知，复合材料的微观结构有明显的“三明治”结构特点，秸秆纤维主要分布在外皮层，且基本无泡孔，可视为SF/PP复合材料；泡孔主要分布在芯层，左皮层︰芯层︰右皮层的体积比为2︰5︰2。

图1 微发泡SF/PP复合材料SEM图

由图1可知，微发泡SF/PP材料具有较为明显的非均质性。将皮层与芯层切开分别测试密度，与已有研究结果[15]对比表明，同样注塑工艺下，皮层与含22.5%（质量分数）秸秆纤维的SF/PP复合材料密度相近，芯层与添加7.2%（质量分数）的AC发泡剂的微发泡PP相近。分析制品性能时，简化为整体进行计算可能会导致分析误差。因而，文中对汽车保险杠蒙皮注塑产品进行力学分析时，以SF/PP和微发泡PP分别替代皮层与芯层，将产品结构视为3层复合材料板进行研究。

1.3 材料力学性能测试

植物纤维复合材料具有复合材料的各向异性特征，需进行偏轴拉伸试验测得材料的力学特性。试验采用GB/T 1040.1—2018拉伸标准试样，在偏轴拉伸试验中，将拉伸试验的纵向与注塑方向之间的夹角定义为偏轴角，采用电子试验机来进行试验并记录应力和应变等相关试验数据。图2为SF/PP材料偏轴拉伸与微发泡PP的拉伸应力-应变。由图2a可知，SF/PP材料在0°，45°，90°的拉伸强度具有明显差异，呈现明显的各向异性。根据应力-应变曲线可计算SF/PP材料和微发泡PP材料的相关力学参数，用于后续保险杠蒙皮刚度分析。

植物纤维发泡复合材料属于非均质各向异性材料，材料性能复杂，同时植物纤维发泡复合材料保险杠在工作时主要以弯曲变形为主，仅进行拉伸试验无法保证材料模型的可靠性，因此针对植物纤维发泡复合材料进行三点弯曲试验来研究材料的弯曲性能，验证材料模型的可靠性。采用GB/T 1449—2005进行三点弯曲试验，得到植物纤维发泡复合材料的弯曲应力-应变曲线如图2b所示，并得到复合材料的弯曲强度为23.5 MPa，弯曲模量为1064.9 MPa。

图2 试验材料应力-应变

2 分析模型建立

选用HyperMesh以及HyperWork中的LS-DYNA模块作为分析工具。为了后续能与试验对比，验证模型的正确性，建立拉伸和弯曲试样3D模型，具体步骤如图3所示。

图3 “三明治”模型建立示意

为验证分析模型的正确性，将拉伸试样结构定义为3层铺层复合板，外层SF/PP的厚度为0.89 mm，中心微孔PP材料的厚度为2.22 mm，使用Lyper Laminate中的PCOMPP卡片定义复合材料层合板的铺层顺序、每层的角度、厚度和材料属性[16]。在HyperWork中的LS-DYNA模块下直接对Component中的Number of plies卡片设置铺层顺序、每层角度、厚度和材料等参数。根据GB/T 1040.1—2006拉伸试验条件，对拉伸试样模型一端全约束，另一端沿拉伸方向加载1 mm/min的速度。按GB/T 9341—2008弯曲性能试验条件，对弯曲试样模型约束其两端与弯曲工装接触面的自由度，在试样中心沿垂直方向加载2 mm/min的速度。

对某汽车前保险杠蒙皮建立有限元分析模型，如图4a所示，四面体网格大小为4mm×4 mm，保险杠蒙皮主体网格三角形单元为4180个，四边形单元为77 000个；保险杠蒙皮格栅网格模型中三角形单元为225个，四边形单元为4055个。保险杠蒙皮主体和格栅之间连接卡扣和螺钉采用HyperMesh中的RBE2代替，在2个零件连接处各设置一个参考点，再将2个参考点刚性连接。固定约束保险杠蒙皮卡扣孔与螺栓孔的6个自由度，忽略各部件之间的相对运动。

为测试保险杠蒙皮静力刚度，在保险杠蒙皮本体取6个点，如图4b所示，采用直径为50 mm的钢制压头施加50 N载荷，分析保险杠蒙皮加载点的变形量。为对比验证分析结果，在自制台架上，采用一个直径为50 mm的圆柱形压头对保险杠被测试点通过机械手摇式装置给零件施加50 N的力，在测试点背面安装电子百分表，测试该点的变形量，试验装置如图4c所示。

图4 保险杠蒙皮有限元分析与试验测试

为分析保险杠蒙皮低速碰撞刚度，按GB 17354—1998建立摆锤模型，如图5所示。摆锤质量设置为1500 kg；在汽车重心位置设置质量点，将质量设置为1500 kg；并将车身质量点与保险杠的安装孔刚性连接，固定约束质量点除了水平行驶方向以外的5个自由度；设置正碰速度为4 km/h，碰撞方向为水平方向；角碰速度为2.5 km/h，方向与保险杠蒙皮纵向对称线成30°夹角；从而模拟两车相撞的工况，研究低速碰撞时保险杠蒙皮的碰撞刚度。

图5 保险杠蒙皮低速碰撞分析模型

3 结果和讨论

微发泡PP材料、SF/PP、微发泡SF/PP的试样拉伸，以及微发泡SF/PP试样弯曲的仿真结果与试验结果对比如图6a—d所示。图7为微发泡SF/PP试样在拉伸和弯曲测试下试验与仿真的应力-应变对比。

由图6可知，微发泡SF/PP拉伸强度最大（25.2 MPa），但均匀伸长率最低；SF/PP材料拉伸强度最小（22.3 MPa），这与试验现象较为吻合[15]。这是由于微发泡SF/PP材料在受拉伸时，芯层微孔受拉变形，将受到的载荷均匀分散至临近材料，皮层富集植物纤维因而可承受较大的拉伸载荷，体现出拉伸强度提升，但由于芯层微发泡材料强度较低，易产生微裂纹，导致拉伸失效，因而微发泡SF/PP材料均匀伸长率较低。由图7可知，微发泡SF/PP弯曲和拉伸试验与仿真的应力-应变曲线重合度较高。弯曲仿真得到的弯曲强度为19.7 MPa，与试验结果误差在5%以内，同时结合图6可知，试验与仿真的失效和变形位置相似。因此文中建立的非均质微发泡SF/PP材料模型较为可靠，可用来分析微发泡SF/PP制品的力学性能。

图6 不同试样拉伸和弯曲试验和仿真结果

图7 微发泡SF/PP试验与仿真的应力-应变对比

图8为微发泡SF/PP保险杠蒙皮各点刚度分析结果，表3显示了仿真与试验变形量的对比。由表3可知，采用微发泡秸秆纤维制造的保险杠蒙皮变形量均在3.5 mm以内，满足技术要求。其中测试点1处变形量最大，测试点6处变形量最小。这是由于测试点1为牌照框安装处，该处结构为较大平面，内侧处无筋条加强，因而变形量较大。测试点6为格栅中部，其结构由横纵交叉筋条构成，因而刚性较好，变形量较小。模拟分析结果与试验结果表明，秸秆纤维复合材料制品虽然内部具有微孔结构，重量虽然降低，但与同厚度注塑“实心”制品相比，其力学性能同样符合产品技术要求，这是由于制品内部微孔结构为微米级闭孔，受到外力载荷时通过微孔变形使载荷在受力点周边分散，有效提升了产品刚度性能，并起到了轻量化作用。

由图8和表3可知，采用文中所用的3层复合材料模型分析非均质微发泡SF/PP零件刚度时，各点变形量误差为3.5%～6.8%，考虑到结构模型的前处理和分析误差，其结果可认为较为准确。因而该分析方法可以简便、近似准确地分析微发泡SF/PP保险杠蒙皮的力学性能。

图9显示了PP和微发泡SF/PP两种保险杠蒙皮在正碰和角碰下的变形云图。由图9可知，2种材料的保险杠蒙皮在低速碰撞时呈现了相似特点，变形主要出现在碰撞接触面上，最大位移点出现在对碰中心点，而对于碰撞接触面以外的保险杠部分则几乎不会发生变形。

图10显示了2种材料保险杠蒙皮正碰和角碰时的位移曲线和速度曲线。从正碰曲线可以发现，PP保险杠蒙皮在0.199 s时达到最大位移130.1 mm，而微发泡SF/PP保险杠蒙皮在0.147 s时达到最大位移122.8 mm；2种材料在刚碰撞时变形速率几乎相同，但微发泡SF/PP保险杠蒙皮先到达最大变形；同时，微发泡SF/PP保险杠蒙皮最大变形量小于PP保险杠蒙皮。在到达最大变形后，微发泡SF/PP保险杠蒙皮变形迅速下降，PP微发泡SF/PP保险杠蒙皮变形缓慢下降。上述现象表明，微发泡SF/PP材料吸收能量能力较强，抵抗碰撞变形能力较强。这是由于复合材料的“三明治”结构，材料表皮的纤维增强材料很大程度上提高了材料的刚度，阻止了保险杠蒙皮的变形；同时芯部微孔在低速碰撞时发生变形压缩，可以很大程度上吸收碰撞的能量，减少了保险杠蒙皮变形，卸载后微孔弹性回复，加快了保险杠蒙皮的回弹。但由图10b可知，角碰时PP保险杠蒙皮先到达最大变形，微发泡SF/PP保险杠蒙皮最大变形量较大。结合图9可知，正碰时主要是沿保险杠横向弯曲，角碰时保险杠蒙皮弯曲情况较复杂，碰撞位置不同，材料弯曲受力情况也不同。微发泡SF/PP的各向异性决定了其在不同方向的弯曲应力情况不同，导致横向弯曲变形大于纵向弯曲变形。

由图10c和d可知，正碰和角碰时，微发泡SF/PP保险杠蒙皮最大位移点的速度在整个碰撞周期内高于PP保险杠蒙皮；撞击微发泡SF/PP保险杠蒙皮后，摆锤的回弹速度高于其撞击PP保险杠蒙皮后的回弹速度，且在摆锤速度稳定后，微发泡SF/PP保险杠蒙皮最大位移点速度波动幅值高于PP。这说明微发泡SF/PP保险杠蒙皮在吸收能量后通过自身振动吸收摆锤能量，从而减少保险杠蒙皮整体变形量。这同样是由于微发泡SF/PP的芯层微孔结构表现出的能量吸收特性。

表3 保险杠蒙皮静力变形量仿真与试验结果对比

Tab.3 Comparison between simulation and test results of static deformation of bumper fascia

图8 微发泡SF/PP保险杠蒙皮静力变形

图9 保险杠蒙皮碰撞变形

图10 保险杠蒙皮低速碰撞仿真结果

4 结论

1）微发泡SF/PP复合材料的微观结构有明显的“三明治”结构特点，秸秆纤维主要分布在外皮层，且基本无泡孔，泡孔主要分布在芯层，整体呈现明显的非均质性和各向异性。

2）微发泡SF/PP保险杠蒙皮在50 N载荷下，各点变形量均小于3.5 mm；低速碰撞时，微发泡SF/PP保险杠蒙皮表现出较好的能量吸收效果，力学性能满足技术要求，满足轻量化要求。

3）将非均质微发泡SF/PP复合材料保险杠蒙皮视为3层复合材料板进行分析，刚度仿真模拟与试验结果平均相差6%左右，结果满足仿真分析要求。

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Stiffness of Heterogeneous Bumper Fascia Made by Straw Fiber Composites

LIU Jun-jian1, HU Hao-sheng2a,2b, ZHOU Lei1, LI Wei1,2a

(1. SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Liuzhou 545007, China; 2. a. Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components; b. Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

The work aims to research the stiffness of bumper fascia made of micro foamed straw fiber/polypropylene (SF/PP) composites. Micro foamed SF/PP composites were prepared by blending extrusion and chemical foaming injection processes. The mechanical properties and microstructure of heterogeneous samples were tested by experiment. A structure analysis model of heterogeneous micro foamed straw fiber/PP composite was established through finite element analysis. The stiffness performance of the composite bumper fascia was analyzed. The results showed that the microstructure of micro foamed SF/PP composites had obvious "sandwich" structure characteristics. Straw fibers were mainly distributed in the outer skin layer and bubbles were mainly distributed in the core layer. The difference between the analysis results and the experimental test was about 6%. The automobile injection parts of heterogeneous straw fiber composite can be approximated to a three-layer composite plate structure for numerical analysis, which simplifies the analysis process. The research results can be used to guide product performance evaluation and improve product development efficiency.

micro foamed; plant fiber composite; heterogeneous; mechanical property

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.03.014

U465.4

A

1674-6457(2022)03-0107-09

2021-09-02

国家自然科学基金（51605356）；中央高校基本科研业务费专项资金（WUT 2019Ⅲ116CG）

刘军舰（1982—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为汽车零部件先进制造。

李伟（1984—），女，硕士，高级工程师，硕士生导师，主要研究方向为汽车轻量化设计制造。