基于動態(tài)拉伸的車用金屬材料CAE應用機制研究

王立新　賈彥敏　徐樹杰　康醫(yī)飛　張連桐

摘 要：高速拉伸曲線對于碰撞模擬仿真的準確度具有重要影響。相比于靜態(tài)拉伸，高速拉伸試驗具有測試方法復雜、后處理影響因素多、準確性難以保障等特點。構(gòu)建面向全行業(yè)準確度高、系統(tǒng)全面的高速拉伸曲線數(shù)據(jù)體系具有重大的行業(yè)價值。本文對高速拉伸檢測、數(shù)據(jù)后處理、數(shù)據(jù)準確性驗證以及數(shù)據(jù)庫開發(fā)等技術(shù)進行詳細研究和闡述，建立一套完整的高速拉伸數(shù)據(jù)后處理流程，初步實現(xiàn)了高速拉伸準確檢測到精確應用的數(shù)據(jù)體系構(gòu)建方法。

關(guān)鍵詞：車用材料；高速拉伸；后處理；數(shù)據(jù)驗證

1 引言

安全、節(jié)能、環(huán)保是當今汽車發(fā)展的主題。汽車的安全性是評價汽車級別的重要指標之一，其直接體現(xiàn)在整車碰撞過程中吸收撞擊能量和對乘員及行人保護能力上[1]。近年來模擬仿真技術(shù)已廣泛應用于汽車設計和開發(fā)之中，在縮短研發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本等方面產(chǎn)生積極作用。汽車碰撞過程中材料變形是高應變的動態(tài)過程，其應變速率分布在10-1～103/s之間[2]。車輛碰撞安全可靠性分析對材料在高應變速率條件下的塑性性能參數(shù)提出了評測需求。

現(xiàn)階段，車用材料制備汽車結(jié)構(gòu)件需要在前期設計中進行更多的模擬和試驗，CAE動態(tài)分析是不可或缺的。而國內(nèi)汽車行業(yè)車用材料動態(tài)拉伸面臨著測試規(guī)范多而不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)積累不足、數(shù)據(jù)后處理方法差異較大等問題，無法建立面向碰撞模擬仿真完整的數(shù)據(jù)體系，極大抑制國內(nèi)汽車行業(yè)CAE仿真技術(shù)的進步?；谝陨希疚囊詫氫摕岢尚弯摓槔?，從車用材料動態(tài)檢測出發(fā)，圍繞數(shù)據(jù)后處理、準確性驗證以及數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，進行完整的材料動態(tài)拉伸數(shù)據(jù)應用機制的研究。

2 高速拉伸試驗方法研究

2.1 高速測試應變率范圍

基于汽車碰撞模擬仿真所需的材料高速拉伸應變率一般在10-3～103/s之間，當應變率低于10-1/s時，可采用準靜態(tài)拉伸試驗機檢測；當應變率高于10-1/s時，準靜態(tài)試驗過程中使用的載荷傳感器由于波的多次反射對載荷信號造成嚴重干擾，因此需采用特殊的載荷測定技術(shù)，一般通過液壓伺服系統(tǒng)和彈性桿型系統(tǒng)解決。

2.2 車用材料高速拉伸試驗

本文選取1.6mm厚的熱成型鋼板，以此為例闡述車用材料高速拉伸試驗及方法。硼鋼具有良好的熱成型性能，模具淬火后鋼板抗拉強度達到1400MPa以上，成型件具有高強度和輕量化等優(yōu)點，適用于車門防撞梁，A、B、C柱等位置。

高速測試中材料的準靜態(tài)和動態(tài)拉伸進行6個應變率（0.001/s、1/s、10/s、100/s、500/s、1000/s）的實驗，實驗設計參考國標GB/T228.1-2010和國際標準ISO 26203-2-2011（如圖1所示）。鑒于高速拉伸試驗機傳感器測得信號波動較大，試驗中采用試件彈性區(qū)粘貼應變片的方法測試拉力值[3]。

2.3 試驗結(jié)果

試驗過程中為保證試驗重復性，每個應變率曲線進行3次試驗，選取試驗的中間曲線作為此應變率下的試驗結(jié)果曲線。不同應變率下熱成型鋼工程應力應變曲線如圖2所示，隨著應變率的提升，材料的屈服強度和抗拉強度都發(fā)生較大的提升，表現(xiàn)出很強的應變率敏感特性，可以清晰看出應變率提高，材料抗拉強度和屈服強度明顯增加。

3 高速拉伸曲線數(shù)據(jù)處理

3.1 試驗數(shù)據(jù)處理原理

鋼材的工程應力應變與真實應力應變轉(zhuǎn)化關(guān)系如下所示。

εT=1n（1+ε） （1）

σT=σ*（1+ε） （2）

εplastic=εT·σT/E （3）

其中ε為工程應變，σ為工程應力，εplastic為塑性應變，E為彈性模量。

3.2 曲線擬合外推

轉(zhuǎn)換后的塑性應變真應力曲線是通過積分方式獲得，能夠真實反映試樣變形積累過程，但頸縮點后的數(shù)據(jù)偏離單軸拉伸應力狀態(tài)，試驗曲線是無效的。目前常用的處理方法是對頸縮后的數(shù)據(jù)進行剔除，并基于動態(tài)拉伸試驗得到的載荷位移曲線，結(jié)合CAE仿真軟件，將頸縮前的數(shù)據(jù)以多曲線法或經(jīng)驗公式法等方法進行修正。

經(jīng)驗公式修正法是基于材料經(jīng)驗本構(gòu)模型，基于頸縮前的數(shù)據(jù)求解出本構(gòu)模型中的參數(shù)，并將曲線外延至塑性應變?yōu)?。利用Swift-Hocketty-Sherby本構(gòu)模型對同種材料的多個應變率曲線進行統(tǒng)一擬合外推能夠較好的解決這一問題。

Swift-Hocketty-Sherby本構(gòu)模型如下式：

σ=（1-α）{C（εpl+εD）m}+α[σsat（σsat-σi）

] （4）

式中：α為加權(quán)系數(shù)，C、m、p為擬合參數(shù)， 0<α<1，C>0，m>0，p>0

無論是多曲線法還是經(jīng)驗公式法外推，最后都要保證所有應變率曲線在同一坐標系下不發(fā)生交叉，處理結(jié)果如圖3所示。

3.3 數(shù)據(jù)曲線標定

數(shù)據(jù)標定是以動態(tài)拉伸過程中獲得的載荷位移曲線（或載荷時間曲線）為基準，建立動態(tài)拉伸的LS-DYNA模型（CAE模型圖如圖4所指示），將處理后的真應力應變數(shù)據(jù)輸入CAE模型中，模擬材料動態(tài)拉伸過程，將模擬得到的載荷位移數(shù)據(jù)與試驗得到的載荷數(shù)據(jù)進行對比。最終通過對處理后曲線數(shù)據(jù)進行調(diào)整，以保證拉伸載荷曲線與仿真載荷曲線誤差在5%以內(nèi)，即確定為標定收斂準則，則認為此時的塑性應變真應力曲線為符合CAE模擬仿真要求的數(shù)據(jù)。

4 高速拉伸曲線準確性驗證方法研究

在汽車碰撞過程中，材料往往承受多重載荷的復雜作用，而動態(tài)拉伸測試是一維的試驗，只能夠提供材料基本的力學信息。所以基于此，有必要通過一定的系統(tǒng)裝置將動態(tài)拉伸獲取的試驗數(shù)據(jù)進行驗證，以確保經(jīng)過處理數(shù)據(jù)應用于整車碰撞模擬時的準確性。

4.1 動態(tài)落錘撕裂試驗驗證

動態(tài)落錘撕裂試驗（DYNATUP沖擊）是將由沖擊頭和砝碼負荷組成的沖擊裝置（TUP）升至適當?shù)母叨柔尫?，并以指定沖擊速度沖擊試驗樣品（如鋼板）的過程。

動態(tài)落錘撕裂試驗系統(tǒng)的裝置原理簡單，適用范圍廣，任何規(guī)格的與試驗儀器匹配的樣品都適用，試樣主要是矩形或者圓形板材樣件。并且系統(tǒng)的控制精度較好，通過智能控制系統(tǒng)能夠保證錘頭接觸樣品時的速度是試驗目標速度，較好保證試驗質(zhì)量。

4.2 動態(tài)壓潰試驗系統(tǒng)

軸向壓潰試驗可由臺車碰撞系統(tǒng)、落錘試驗機和中高速材料壓縮試驗機等設備實現(xiàn)。

試驗中試樣是沖壓板材成形或者彎折U形，并經(jīng)過焊接得到薄壁梁結(jié)構(gòu)。試樣固定于剛性墻之上，臺車通過緩沖吸能裝置與剛性墻發(fā)生碰撞。此種驗證系統(tǒng)不僅能夠較好契合實車碰撞試驗，而且試樣設計為典型的汽車縱梁形式，能夠更加準確的測量材料性能數(shù)據(jù)。目前這種方法已獲得眾多檢測機構(gòu)和整車企業(yè)認可，在材料動態(tài)性能驗證方面發(fā)揮重要作用。

5 高速拉伸曲線數(shù)據(jù)庫

高速拉伸曲線數(shù)據(jù)庫不僅能夠?qū)Ⅱ炞C后的曲線數(shù)據(jù)存儲于其中，并為CAE工程師提供高速拉伸曲線數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)對比、數(shù)據(jù)導出等功能。

高速拉伸曲線數(shù)據(jù)庫不僅存儲材料動態(tài)拉伸的原始曲線和處理后曲線數(shù)據(jù)，同時能夠提供檢測標準、檢測設備、試件狀態(tài)等檢測條件以及楊氏模量、泊松比、屈服強度、抗拉強度等力學參數(shù)查看。數(shù)據(jù)庫中支持CAE工程師下載材料的檢測報告和曲線驗證報告，并能夠根據(jù)使用的軟件，如LS-DYNA或PAM-CRASH，下載材料卡片應用于CAE模擬仿真，便于工程師模擬仿真中材料性能的查找。

6 結(jié)論

隨著消費者對汽車產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)注度大幅提升，國家對汽車產(chǎn)品的監(jiān)管力度逐步加大，企業(yè)只有通過不斷技術(shù)創(chuàng)新，提高產(chǎn)品安全質(zhì)量才能贏得更多信賴。高速拉伸曲線數(shù)據(jù)從測試、處理到使用，每個環(huán)節(jié)都需要更為精準的方式方法保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量，從保證CAE模擬仿真的準確。

本文基于行業(yè)面臨普遍問題，從CAE仿真需求出發(fā)，建立動態(tài)拉伸曲線檢測、處理、驗證、存儲和導出的完善體系。一方面，解決整車企業(yè)面臨的面向CAE 模擬仿真的高應變速率拉伸曲線的問題；另一方面，為促進汽車行業(yè)達成統(tǒng)一高速拉伸數(shù)據(jù)應用規(guī)范打下基礎，有利于行業(yè)良性互動合作，促進國內(nèi)汽車行業(yè)共同進步。

參考文獻：

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