好文推荐 | 哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院研究成果：基于兰姆波的碳纤维复合材料电池箱冲击损伤评估

《汽车工程》2024年第12期发表了哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院等机构联合研究成果"基于兰姆波的CFRP电池箱冲击损伤评估"一文。为研究碳纤维增强复合材料（CFRP）电池箱因低速冲击造成的目视不可见冲击损伤对相对声学非线性参数（RANP）的影响机制，论文通过实验与仿真相结合的方法，建立了CFRP电池箱损伤监测仿真模型，并研究了不同损伤类型和损伤程度对兰姆波传播特性的影响。结果表明，RANP参数能通过新的频率成分评估损伤程度，对损伤面积敏感，对厚度方向位置不敏感，为汽车碰撞安全部件的结构-功能一体化设计提供了重要参考。

一、研究背景

在电池箱领域，CFRP可显著减轻其重量并提升安全性能。然而，电池箱底部在实际使用中易遭受低速冲击，产生基体开裂、纤维断裂或分层等目视不可见的冲击损伤（BVID），对结构安全构成威胁。基于压电传感器激发的兰姆波损伤监测技术因其耐用、轻量化和低功耗，广泛应用于复合材料结构的损伤监测中。通过测量相对RANP，不仅可以监测BVID的存在，还能评估其损伤程度。然而，目前关于冲击损伤对CFRP导波传播影响机制的研究仍不足。

二、研究内容

1. 构建CFRP层合板冲击-监测一体化仿真模型：为准确表达冲击引起的内部损伤，通过多分析步方法将冲击与损伤监测在同一模型中实现，研究不同能量冲击与兰姆波非线性之间的关联。

(a) 多分析步建模方法

(b) 传感器布置示意图

图1 电池箱冲击-损伤监测仿真模型搭建

2. 设计CFRP层合板的落锤冲击试验：依据ASTM D7136设计落锤冲击试验，采用钢质冲击器、载荷传感器等，测量载荷-时间曲线并计算能量变化，确保仿真模型准确性。

图2 落锤冲击实验装置

3. 不同预置损伤类型下仿真模型的搭建：剖析冲击损伤的复杂性，使用Abaqus，通过不同方法将纤维断裂，基体损伤与分层损伤置于电池箱中，并设置不同变量。

图3 预置损伤大小与位置示意图

4. 采用时频域方法处理仿真结果：结合频散特性、傅里叶变换及声学非线性参数，量化微观损伤，并研究不同损伤类型对RANP的影响机制。

1. CFRP冲击-损伤监测一体化模型建立：对CFRP层合板进行落锤冲击实验，获得F-d与E-t曲线，仿真与实验关键参数差异小于8%；基于兰姆波的损伤监测建模，仿真与实验结果误差小于5%，验证模型精度满足研究需求，支持CFRP电池箱冲击-损伤监测研究。

图4 落锤冲击仿真与实验结果对比

图5 兰姆波监测仿真与实验结果对比

2. 不同冲击能量下，损伤情况与相对声学非线性参数分析：随着冲击能量增加，基体损伤区域扩大，纤维在20J时出现网格删除，25J时严重失效。分层损伤随能量增大加剧。兰姆波相对声学非线性参数随能量增加而增大。

（a）损伤情况

（b）相对声学非线性参数

图6 不同冲击能量下的损伤情况与相对声学非线性参数

3. 不同损伤类型与位置下，时频域信号与相对声学非线性参数分析：基体压缩损伤改变兰姆波传播速度和方向，频域图显示基波频率处信号杂乱。损伤引起高次谐波，基波幅值略微下降，随着损伤增大，相对声学非线性参数逐渐增大。

图7 含损伤与完好电池箱的兰姆波信号

 发生纤维拉伸断裂时，CFRP电池箱发生材料退化，兰姆波的时域频域信号相对于完好电池箱发生的变化分层损伤时，兰姆波频域信号基波频率处幅值变化显著，生成更多频率成分，信号更为杂乱。相较完好电池箱，基波幅值略增，且相对非线性声学参数随分层损伤面积增大。

不同铺层出现相同面积损伤时，兰姆波散射信号相似；归一化处理三种损伤的非线性声学参数，损伤面积增大时材料非线性程度增加，分层损伤引起的非线性最大，纤维拉伸断裂次之，基体压缩损伤最小。损伤面积达到一定阈值后，非线性声学参数变化显著。

图8 不同层含有基体损伤的时域信号

图9 各损伤各面积下的声学非线性参数

四、创新点与意义

碳纤维增强复合材料（CFRP）电池箱是新能源汽车的关键部件，其碰撞性能直接影响车辆的安全性、可靠性。论文创新性地结合实验与仿真方法，针对低速冲击损伤对CFRP电池箱中兰姆波传播的影响，研究揭示了不同损伤类型对相对声学非线性参数（RANP）的敏感性及其变化规律。通过建立CFRP电池箱冲击-监测仿真模型，量化了分层、基体压缩及纤维拉伸损伤对导波传播的影响机制，结果为评估CFRP电池箱的冲击损伤程度提供了新的理论依据，同时对新能源汽车关键部件的安全性能提升、结构-功能一体化设计具有重要意义。

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