國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)高應(yīng)變速率拉伸曲線現(xiàn)狀及應(yīng)對(duì)策略研究

何紹清+徐樹杰+賈彥敏+侯猛

摘 要：高應(yīng)變速率拉伸曲線是碰撞模擬仿真的關(guān)鍵數(shù)據(jù)輸入，直接影響到模擬仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，國(guó)內(nèi)開展高應(yīng)變速率拉伸曲線的研究及應(yīng)用起步較晚，存在著對(duì)比性一致性差、數(shù)據(jù)積累不足等問題。通過聯(lián)合行業(yè)構(gòu)建行業(yè)平臺(tái)，成立規(guī)范制定、曲線檢測(cè)、數(shù)據(jù)體系構(gòu)建的共性技術(shù)研究機(jī)制，是解決這一問題的有效途徑。

關(guān)鍵詞：碰撞模擬仿真；高應(yīng)變速率拉伸曲線；行業(yè)現(xiàn)狀；應(yīng)對(duì)策略

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.269

模擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)研發(fā)以來，為汽車行業(yè)帶來巨大的變化，在縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本的同時(shí)，提高了汽車的產(chǎn)品質(zhì)量與安全性。近些年來，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，CAE技術(shù)應(yīng)用的廣度及深度也在不斷加強(qiáng)，從開始的驗(yàn)證設(shè)計(jì)逐漸過渡到引導(dǎo)設(shè)計(jì)。例如，上世紀(jì)90年代，某整車企業(yè)引入模擬仿真技術(shù)以后，研發(fā)周期縮短了一半、樣車數(shù)量減少到三分之一。

汽車碰撞模擬仿真技術(shù)是汽車模擬仿真設(shè)計(jì)中十分重要的領(lǐng)域，精確的碰撞模擬仿真技術(shù)對(duì)于汽車企業(yè)設(shè)計(jì)研發(fā)十分重要。第一，被動(dòng)安全性能是消費(fèi)者十分關(guān)注的、整車廠十分在意的汽車性能，并且隨著消費(fèi)者對(duì)汽車安全水平的要求不斷提高及C-NCAP標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步加嚴(yán)，模擬仿真部門將面臨更大的壓力。第二，國(guó)家油耗及排放法規(guī)逐步收緊，到2020年，汽車企業(yè)平均燃油消耗量要達(dá)到5L/100Km[1]，比國(guó)五嚴(yán)格30%的國(guó)六排放法規(guī)也要在2016年底完成，而輕量化是解決能耗并同時(shí)提高汽車操控性能的有效途徑[2]。目前，國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)普遍存在“過設(shè)計(jì)”問題，如果通過精確的設(shè)計(jì)來消除“過設(shè)計(jì)”并不至于“欠設(shè)計(jì)”，是汽車設(shè)計(jì)師重點(diǎn)關(guān)注的問題。第三，CAD技術(shù)與CAE技術(shù)融合，模擬仿真驅(qū)動(dòng)整車設(shè)計(jì)是未來汽車設(shè)計(jì)與模擬仿真的趨勢(shì)，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的前提是提高模擬仿真的精確度和置信度。通過以上分析，進(jìn)一步提高碰撞模擬仿真精確度迫在眉睫。

碰撞模擬仿真技術(shù)主要涉及到幾何、網(wǎng)格、約束、載荷、單元、物理參數(shù)等六大要素，前五大要素經(jīng)過不斷的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)基本解決，而材料物理參數(shù)尤其是其中的高應(yīng)變速率拉伸曲線的數(shù)據(jù)獲取及精確度成為制約汽車碰撞模擬仿真技術(shù)的瓶頸，成為“木桶效應(yīng)”的那根短板。因此，獲取高精確度的、系統(tǒng)的高應(yīng)變速率拉伸曲線成為進(jìn)一步提高汽車碰撞模擬仿真置信度的關(guān)鍵。

鑒于以上幾點(diǎn)，我國(guó)汽車行要建立一種高應(yīng)變速率拉伸曲線的獲取機(jī)制與驗(yàn)證機(jī)制。

1 國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)高應(yīng)變速率拉伸曲線調(diào)研結(jié)果

為調(diào)研國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)高應(yīng)變速率拉伸曲線情況及行業(yè)現(xiàn)狀，我們對(duì)國(guó)內(nèi)整車企業(yè)發(fā)放40份調(diào)研問卷，收回有效調(diào)研問卷20份，自主品牌15份，合資品牌5份。調(diào)研結(jié)果分析如下：高應(yīng)變速率拉伸曲線的重要性得到整車企業(yè)一致認(rèn)可，其中89%的整車企業(yè)認(rèn)為非常重要，11%的整車企業(yè)認(rèn)為一般重要。整車企業(yè)高應(yīng)變速率拉伸曲線的來源主要有兩個(gè)主要來源，一方面來自于整車企業(yè)檢測(cè)，另一途徑為材料供應(yīng)商提供。

調(diào)研問卷中還對(duì)整車企業(yè)普遍反映的高應(yīng)變速率拉伸曲線在使用中存在的問題進(jìn)行了征集。整車企業(yè)一線工程師普遍反映的問題有數(shù)據(jù)一致性和對(duì)比性差，數(shù)據(jù)積累不足，測(cè)試費(fèi)用昂貴、周期長(zhǎng)。借助于行業(yè)問卷調(diào)研和實(shí)地走訪，高應(yīng)變速率拉伸曲線檢測(cè)規(guī)范及數(shù)據(jù)處理規(guī)范缺失是導(dǎo)致數(shù)據(jù)對(duì)比性及一致性差的主要原因。鑒于此，針對(duì)規(guī)范和數(shù)據(jù)體系建立的必要性進(jìn)行了調(diào)研，44%的專業(yè)工程師認(rèn)為該工作非常迫切，還有50%的的工程師認(rèn)為該項(xiàng)工作有必要但是不迫切，基于以上分析，可以得出解決高應(yīng)變速率拉伸曲線問題已經(jīng)刻不容緩。

2 整車企業(yè)高應(yīng)變速率拉伸曲線存在的問題

針對(duì)汽車企業(yè)汽車碰撞模擬仿真部門所存在的問題，筆者通過走訪企業(yè)一線工程師，并結(jié)合調(diào)研結(jié)果，列出關(guān)于高應(yīng)變速率拉伸曲線現(xiàn)階段所存在的問題。

2.1 行業(yè)內(nèi)缺乏統(tǒng)一規(guī)范，數(shù)據(jù)對(duì)比性及一致性差

由于材料高應(yīng)變速率曲線的測(cè)試涉及到材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，以及高速下信號(hào)的采集與疊加，信號(hào)采集及分離難度大，材料高應(yīng)變速率下的測(cè)試多采用霍普金森桿的方法進(jìn)行測(cè)量[3]。而汽車碰撞仿真常用的中速率高應(yīng)變速率曲線使用該方法不能很好的測(cè)試，行業(yè)內(nèi)普遍采用液壓伺服的方法進(jìn)行測(cè)試。目前國(guó)內(nèi)整車企業(yè)采用的高應(yīng)變速率拉伸曲線測(cè)試方法眾多，并且同一測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的情況下，國(guó)內(nèi)檢測(cè)機(jī)構(gòu)在樣件、應(yīng)力、應(yīng)變采集的方法上差異也較大。如下表所示，高應(yīng)變速率拉伸曲線常使用規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)眾多，不統(tǒng)一測(cè)試方法導(dǎo)致數(shù)據(jù)的對(duì)比性及一致性差。

高應(yīng)變速率拉伸曲線的數(shù)據(jù)處理主要包含曲線的平滑、工程應(yīng)力應(yīng)變/真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變的轉(zhuǎn)換、曲線外延、試驗(yàn)驗(yàn)證及修正，國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)高應(yīng)變速率曲線數(shù)據(jù)處理缺乏統(tǒng)一的規(guī)范，各個(gè)企業(yè)數(shù)據(jù)處理方法均不相同，甚至同一企業(yè)數(shù)據(jù)處理方法也不相同。這也是導(dǎo)致數(shù)據(jù)對(duì)比性和一致性差的很重要的原因。

2.2 車用材料性能數(shù)據(jù)積累不足，面向CAE的完善材料數(shù)據(jù)體系尚未建立

國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)高應(yīng)變速率拉伸曲線數(shù)據(jù)來源主要分為三個(gè)方面，主要為自行檢測(cè)、CAE軟件自帶、材料企業(yè)提供。

（1）汽車企業(yè)自行檢測(cè)。由于整車涉及到的材料廣泛，檢測(cè)參數(shù)多、規(guī)格多，并且每個(gè)牌號(hào)曲線檢測(cè)費(fèi)用昂貴，所以整車企業(yè)自行檢測(cè)的數(shù)據(jù)量不多。

（2）材料企業(yè)提供。材料企業(yè)一般情況下多為材料工程師，在有限元分析及整車構(gòu)造方面欠缺，再加上高應(yīng)變速率拉伸曲線檢測(cè)涉及技術(shù)眾多，因此材料企業(yè)提供的曲線普遍存在數(shù)據(jù)質(zhì)量不高、原始曲線無法得到有效處理、曲線有效性難以得到保證等問題。

（3）CAE軟件自帶。部分CAE軟件會(huì)附帶一些常用材料牌號(hào)的典型曲線，但是該部分牌號(hào)多為國(guó)外牌號(hào)并且數(shù)量不多。

綜合以上三點(diǎn)，國(guó)內(nèi)大部分整車企業(yè)數(shù)據(jù)不系統(tǒng)且來源混亂，導(dǎo)致CAE模擬法仿真結(jié)果置信度難以得到保證。

2.3 共性車用材料高級(jí)曲線測(cè)試與處理增加行業(yè)整體檢測(cè)與時(shí)間成本endprint

國(guó)內(nèi)整車企業(yè)使用的車身機(jī)構(gòu)材料相對(duì)比較集中，尤其是整車白車身，所使用的鋼鐵牌號(hào)相對(duì)比較集中，牌號(hào)重合度比較高。國(guó)內(nèi)整車企業(yè)眾多，并且都需要對(duì)高應(yīng)變速率拉伸曲線進(jìn)行檢測(cè)、處理、驗(yàn)證，重復(fù)性的檢測(cè)、處理與驗(yàn)證嚴(yán)重浪費(fèi)行業(yè)整體檢測(cè)與時(shí)間成本，所以必須要有一種機(jī)制來組織行業(yè)進(jìn)行高速拉伸曲線的檢測(cè)、處理、驗(yàn)證及數(shù)據(jù)體系構(gòu)建。

3 應(yīng)對(duì)策略研究

國(guó)外整車企業(yè)在高應(yīng)變率拉伸曲線方面的成功經(jīng)驗(yàn)值得我們借鑒，經(jīng)過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)國(guó)外存在很多專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，檢測(cè)機(jī)構(gòu)具備材料學(xué)、力學(xué)、有限元分析、汽車工程領(lǐng)域的專家，并且在曲線檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、仿真對(duì)標(biāo)、CAE應(yīng)用方面都具備專業(yè)的素養(yǎng)，并且經(jīng)過檢測(cè)處理以后的數(shù)據(jù)生成針對(duì)于模擬仿真軟件的材料卡片，汽車企業(yè)統(tǒng)一對(duì)材料卡片進(jìn)行管理與使用。因此，檢測(cè)的數(shù)據(jù)也具備較高的對(duì)比性和數(shù)據(jù)一致性。

但是，這種模式需要汽車企業(yè)有比較大的檢測(cè)投入，這對(duì)于我國(guó)汽車行業(yè)來說困難較大，因此需要組織包括整車企業(yè)、材料企業(yè)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、CAE公司在內(nèi)的汽車行業(yè)成立高應(yīng)變速率拉伸曲線的聯(lián)合體，開展高應(yīng)變速率拉伸曲線的檢測(cè)及數(shù)據(jù)體系搭建工作。主要需要開展以下工作：

（1）制定行業(yè)內(nèi)適用的高應(yīng)變速率拉伸曲線的檢測(cè)規(guī)范及數(shù)據(jù)處理規(guī)范；

（2）集合行業(yè)開展通用高應(yīng)變速率拉伸曲線的檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理工作；

（3）構(gòu)建行業(yè)內(nèi)共享的高應(yīng)變速率拉伸曲線的數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)體系；

（4）形成一種高應(yīng)變速率拉伸曲線的檢測(cè)、處理、應(yīng)用的交流機(jī)制。

4 結(jié)束語

2015年上半年，全國(guó)汽車產(chǎn)銷分別為1209.7萬輛和1185.5萬輛，同比分別增長(zhǎng)2.6%和1.4%，相比于2014年的7.3%和6.9%，出現(xiàn)大幅度的下挫，中國(guó)汽車行業(yè)進(jìn)入以微增長(zhǎng)為主的新常態(tài)。中國(guó)汽車行業(yè)面臨的競(jìng)爭(zhēng)壓力加大，提升技術(shù)實(shí)力、縮短與外資品牌的技術(shù)差距是占據(jù)競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)的關(guān)鍵。

然而，技術(shù)實(shí)力提升、核心技術(shù)的掌握需要持續(xù)的、大量的研發(fā)投入及長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)積累。中國(guó)汽車行業(yè)近十年來取得了巨大的技術(shù)進(jìn)步，不斷縮小與國(guó)外企業(yè)的技術(shù)差距，但是，在研發(fā)投入上，尤其是基礎(chǔ)技術(shù)投入上，我們與國(guó)外大型整車企業(yè)相比還有很大的差距。行業(yè)共性基礎(chǔ)技術(shù)研究十分重要，但投入大、見效時(shí)間長(zhǎng)，企業(yè)單獨(dú)開展該項(xiàng)工作會(huì)給企業(yè)帶來很大的壓力，并且重復(fù)性研究浪費(fèi)行業(yè)資源。

因此，為響應(yīng)“中國(guó)制造2025”關(guān)于基礎(chǔ)能力建設(shè)的要求，聯(lián)合行業(yè)開展針對(duì)高應(yīng)變速率拉伸曲線的檢測(cè)及數(shù)據(jù)體系構(gòu)建主要有兩個(gè)方面的意義：一方面解決困擾整車企業(yè)的面向CAE模擬仿真的高應(yīng)變速率拉伸曲線的問題；另一方面，建立一種行業(yè)內(nèi)共性技術(shù)研究及解決機(jī)制，為行業(yè)內(nèi)共性技術(shù)開展更深層次的合作探路。

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