汽车轻量化材料之工程塑料

汽车轻量化材料之工程塑料

汽车安全与轻量化| 2016-02-02 08:54

导读汽车轻量化好处多多，实现轻量化的方法也很多，车身结构优化、制造工艺改进和轻量化材料应用便是常用的方法。随着各种新型材料的不断出现，轻量化材料已然成为了汽车轻量化的“主战场”，关注汽车轻量化，有必要对各种轻量化材料有所了解。

在全球节能减排的大背景下，轻量化已然成为了汽车发展的重要趋势之一。最近几年，各种汽车轻量化技术不断革新、各种新材料不断涌现，车身结构优化、制造工艺改进和轻量化材料应用成为了汽车轻量化设计的常用方法。其中，材料的创新与应用，是实现汽车轻量化的重要途径之一。常用的轻量化材料包括高强度材料如高强钢和轻质材料如镁合金、铝合金、工程塑料和各种复合材料。

在汽车轻量化要求日趋增强的同时，汽车碰撞安全的要求也在逐步提高，有限元仿真是汽车轻量化和碰撞安全设计的重要手段，而该方法能够正确预测汽车结构的力学响应的前提条件是对所涉及材料力学行为的准确表征。前述不同类型轻量化材料，往往表现出与传统钢铁材料不同的力学行为特点。因此，对这些材料的力学行为表征进行研究就显得尤为重要。本文以工程塑料为主要对象，对其独特的力学特性进行简单的介绍。

汽车上使用的塑料件非常之多，从很小的卡扣到很大的内饰盖板，都可能是塑料制成的。塑料材料是一个笼统的分类，不同组分的塑料其特性会存在非常大的差别。以对汽车碰撞吸能特性影响最大的强度和韧性两个指标来看，有的塑料强度很高但韧性很差，稍加变形就会碎裂；而有的塑料强度较低但韧性非常好，拉伸比甚至可以达到100%、200%的量级。

传统的材料力学性能试验，通常是在加载速度较低的准静态试验条件下，通过单向拉伸试验来确定材料的弹塑性变形和断裂行为特性，但汽车车身或者内饰材料在汽车碰撞过程中可能经历的最高应变率往往在100 s-1的量级，材料的变形也不是单轴拉伸那么简单，这些加载条件的变化都会对塑料材料的力学响应产生影响。

首先，我们来看加载速率对塑料材料力学响应的影响。加载速率通常用应变率来表示，应变率的直观理解就是变形的快慢，加载的越快当然应变率越高，简单工况下的近似计算方法是将加载速率比上实际变形的长度：

其中，

表示加载速率，单位一般为m/s，

表示实际变形的长度，单位一般为m，

表示应变率，对应的单位为s-1。下面展示了一种典型的工程塑料——某种改性聚丙烯——在不同应变率下的应力应变曲线，首先我们可以看到这是一种韧性非常好的塑料，在准静态下的拉伸比可以超过100%，随着应变率增加到冲击载荷范围，其拉伸比明显下降，但是其强度有了大幅度的提高。

不同应变率下某种改性聚丙烯材料拉伸试验结果

为获得冲击加载下的材料力学特性需要使用动态加载设备，常见的动态加载设备有落锤、液压驱动的动态加载设备等。由于加载速度快，试验中采用的数据采集设备也需要具有较高的采样率，试件的夹持方式也需要针对不同的设备进行专门的设计，试验成本远比传统的准静态试验要高。清华大学汽车碰撞实验室周青课题组与清华大学苏州汽车研究院轻量化研究所在材料动态试验研究方面已经积累了多年的经验，并拥有各种材料冲击力学性能试验所需的加载和测量设备。

应对各应变率加载要求的多实验机测试系统：1-万能实验机（准静态）；2-中应变率液压伺服实验机；3-高速实验机；4-落锤实验台

同时，塑料材料对于不同的应力加载状态也非常敏感，对应复杂的汽车碰撞工况，要想准确仿真塑料部件的冲击大变形响应，通常用应力三轴度来表达应力加载状态，其计算方法为：

其中，

表示平均应力，

表示等效应力，而

表示的就是应力三轴度。下面展示了一种典型的工程塑料——某种改性聚丙烯——在不同应力加载状态和应变率下的应力应变曲线，包括单轴拉伸、剪切和单轴压缩的准静态和动态应力应变曲线，这些曲线不仅应力强度随应变高低不同，甚至连形状都不类似，如强度这个指标，同时受到应力状态和应变率的影响，并且可能存在耦合的关系，需要设计详尽的试验矩阵，对这些特性进行研究。

不用应力状态和应变率下某种改性聚丙烯材料的力学试验结果

为获得不同应力状态下的材料力学特性，常用的方法有采用多轴加载的试验机和采用特殊形状的试件两种方式。多轴加载试验机如扭转-拉伸试验机、双轴拉伸试验机等，成本高、加载形式不够灵活，因此更多的研究机构都采用了特殊形状试件配合夹具在通用材料试验机上来进行不同形式加载的方法来获得不同应力条件下的材料力学特性。如V形缺口试件实现的剪切试验，十字形试件实现的双轴拉伸试验等。

V形缺口试件实现的剪切试验

十字形试件实现的双轴拉伸试验

除了应变率和应力状态，塑料材料的力学响应还可能受到温度、湿度等各种环境因素的影响，这在汽车的实际使用中都是可能出现的。车用工程塑料的力学特性研究目前还没有达到传统钢材料的完善程度，还存在很多待解决的问题。希望本文能够为大家带来一些有用的知识，也希望能够与更多关心轻量化材料的同行交流、合作！

【部分图片来源于网络】

参考文献：

顾功尧.面向汽车轻量化和碰撞安全的材料力学行为表征研究[博士学位论文].清华大学汽车工程系, 2011.

林少挺.车用塑料的双向拉伸试验技术及失效模型研究[硕士学位论文].清华大学汽车工程系, 2013.

Gu G, Lin S, Xia Y, Zhou Q, Lin C. Characterization of Mechanical Behavior of Thermoplastics with Local Deformation Measurement. SAE 2012, Detroit, USA, SAE Transactions. 2012.

Gu G, Xia Y, Lin C, et al. Experimental study on characterizing damage behavior ofthermoplastics[J]. Materials & Design, 2013, 44: 199-207.

文| 孟艳清华大学汽车工程系博士生

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