王立新　賈彥敏　徐樹(shù)杰　康醫(yī)飛　張連桐

摘 要：高速拉伸曲線(xiàn)對(duì)于碰撞模擬仿真的準(zhǔn)確度具有重要影響。相比于靜態(tài)拉伸，高速拉伸試驗(yàn)具有測(cè)試方法復(fù)雜、后處理影響因素多、準(zhǔn)確性難以保障等特點(diǎn)。構(gòu)建面向全行業(yè)準(zhǔn)確度高、系統(tǒng)全面的高速拉伸曲線(xiàn)數(shù)據(jù)體系具有重大的行業(yè)價(jià)值。本文對(duì)高速拉伸檢測(cè)、數(shù)據(jù)后處理、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性驗(yàn)證以及數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)等技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)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(shí)現(xiàn)了高速拉伸準(zhǔn)確檢測(cè)到精確應(yīng)用的數(shù)據(jù)體系構(gòu)建方法。

關(guān)鍵詞：車(chē)用材料；高速拉伸；后處理；數(shù)據(jù)驗(yàn)證

1 引言

安全、節(jié)能、環(huán)保是當(dāng)今汽車(chē)發(fā)展的主題。汽車(chē)的安全性是評(píng)價(jià)汽車(chē)級(jí)別的重要指標(biāo)之一，其直接體現(xiàn)在整車(chē)碰撞過(guò)程中吸收撞擊能量和對(duì)乘員及行人保護(hù)能力上[1]。近年來(lái)模擬仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)設(shè)計(jì)和開(kāi)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(chē)碰撞過(guò)程中材料變形是高應(yīng)變的動(dòng)態(tài)過(guò)程，其應(yīng)變速率分布在10-1～103/s之間[2]。車(chē)輛碰撞安全可靠性分析對(duì)材料在高應(yīng)變速率條件下的塑性性能參數(shù)提出了評(píng)測(cè)需求。

現(xiàn)階段，車(chē)用材料制備汽車(chē)結(jié)構(gòu)件需要在前期設(shè)計(jì)中進(jìn)行更多的模擬和試驗(yàn)，CAE動(dòng)態(tài)分析是不可或缺的。而國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)車(chē)用材料動(dòng)態(tài)拉伸面臨著測(cè)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(wèn)題，無(wú)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(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)CAE仿真技術(shù)的進(jìn)步?；谝陨?，本文以寶鋼熱成型鋼為例，從車(chē)用材料動(dòng)態(tài)檢測(cè)出發(fā)，圍繞數(shù)據(jù)后處理、準(zhǔn)確性驗(yàn)證以及數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建，進(jìn)行完整的材料動(dòng)態(tài)拉伸數(shù)據(jù)應(yīng)用機(jī)制的研究。

2 高速拉伸試驗(yàn)方法研究

2.1 高速測(cè)試應(yīng)變率范圍

基于汽車(chē)碰撞模擬仿真所需的材料高速拉伸應(yīng)變率一般在10-3～103/s之間，當(dāng)應(yīng)變率低于10-1/s時(shí)，可采用準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)；當(dāng)應(yīng)變率高于10-1/s時(shí)，準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中使用的載荷傳感器由于波的多次反射對(duì)載荷信號(hào)造成嚴(yán)重干擾，因此需采用特殊的載荷測(cè)定技術(shù)，一般通過(guò)液壓伺服系統(tǒng)和彈性桿型系統(tǒng)解決。

2.2 車(chē)用材料高速拉伸試驗(yàn)

本文選取1.6mm厚的熱成型鋼板，以此為例闡述車(chē)用材料高速拉伸試驗(yàn)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(qiáng)度達(dá)到1400MPa以上，成型件具有高強(qiáng)度和輕量化等優(yōu)點(diǎn)，適用于車(chē)門(mén)防撞梁，A、B、C柱等位置。

高速測(cè)試中材料的準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)拉伸進(jìn)行6個(gè)應(yīng)變率（0.001/s、1/s、10/s、100/s、500/s、1000/s）的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參考國(guó)標(biāo)GB/T228.1-2010和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 26203-2-2011（如圖1所示）。鑒于高速拉伸試驗(yàn)機(jī)傳感器測(cè)得信號(hào)波動(dòng)較大，試驗(yàn)中采用試件彈性區(qū)粘貼應(yīng)變片的方法測(cè)試?yán)χ礫3]。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中為保證試驗(yàn)重復(fù)性，每個(gè)應(yīng)變率曲線(xiàn)進(jìn)行3次試驗(yàn)，選取試驗(yàn)的中間曲線(xiàn)作為此應(yīng)變率下的試驗(yàn)結(jié)果曲線(xiàn)。不同應(yīng)變率下熱成型鋼工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖2所示，隨著應(yīng)變率的提升，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都發(fā)生較大的提升，表現(xiàn)出很強(qiáng)的應(yīng)變率敏感特性，可以清晰看出應(yīng)變率提高，材料抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯增加。

3 高速拉伸曲線(xiàn)數(shù)據(jù)處理

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理原理

鋼材的工程應(yīng)力應(yīng)變與真實(shí)應(yīng)力應(yīng)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(yīng)變，σ為工程應(yīng)力，εplastic為塑性應(yīng)變，E為彈性模量。

3.2 曲線(xiàn)擬合外推

轉(zhuǎn)換后的塑性應(yīng)變真應(yīng)力曲線(xiàn)是通過(guò)積分方式獲得，能夠真實(shí)反映試樣變形積累過(guò)程，但頸縮點(diǎn)后的數(shù)據(jù)偏離單軸拉伸應(yīng)力狀態(tài)，試驗(yàn)曲線(xiàn)是無(wú)效的。目前常用的處理方法是對(duì)頸縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，并基于動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)得到的載荷位移曲線(xiàn)，結(jié)合CAE仿真軟件，將頸縮前的數(shù)據(jù)以多曲線(xiàn)法或經(jīng)驗(yàn)公式法等方法進(jìn)行修正。

經(jīng)驗(yàn)公式修正法是基于材料經(jīng)驗(yàn)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(xiàn)外延至塑性應(yīng)變?yōu)?。利用Swift-Hocketty-Sherby本構(gòu)模型對(duì)同種材料的多個(gè)應(yīng)變率曲線(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)一擬合外推能夠較好的解決這一問(wèn)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(wú)論是多曲線(xiàn)法還是經(jīng)驗(yàn)公式法外推，最后都要保證所有應(yīng)變率曲線(xiàn)在同一坐標(biāo)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(xiàn)標(biāo)定

數(shù)據(jù)標(biāo)定是以動(dòng)態(tài)拉伸過(guò)程中獲得的載荷位移曲線(xiàn)（或載荷時(shí)間曲線(xiàn)）為基準(zhǔn)，建立動(dòng)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(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)輸入CAE模型中，模擬材料動(dòng)態(tài)拉伸過(guò)程，將模擬得到的載荷位移數(shù)據(jù)與試驗(yàn)得到的載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。最終通過(guò)對(duì)處理后曲線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，以保證拉伸載荷曲線(xiàn)與仿真載荷曲線(xiàn)誤差在5%以?xún)?nèi)，即確定為標(biāo)定收斂準(zhǔn)則，則認(rèn)為此時(shí)的塑性應(yīng)變真應(yīng)力曲線(xiàn)為符合CAE模擬仿真要求的數(shù)據(jù)。

4 高速拉伸曲線(xiàn)準(zhǔn)確性驗(yàn)證方法研究

在汽車(chē)碰撞過(guò)程中，材料往往承受多重載荷的復(fù)雜作用，而動(dòng)態(tài)拉伸測(cè)試是一維的試驗(yàn)，只能夠提供材料基本的力學(xué)信息。所以基于此，有必要通過(guò)一定的系統(tǒng)裝置將動(dòng)態(tài)拉伸獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，以確保經(jīng)過(guò)處理數(shù)據(jù)應(yīng)用于整車(chē)碰撞模擬時(shí)的準(zhǔn)確性。

4.1 動(dòng)態(tài)落錘撕裂試驗(yàn)驗(yàn)證

動(dòng)態(tài)落錘撕裂試驗(yàn)（DYNATUP沖擊）是將由沖擊頭和砝碼負(fù)荷組成的沖擊裝置（TUP）升至適當(dāng)?shù)母叨柔尫?，并以指定沖擊速度沖擊試驗(yàn)樣品（如鋼板）的過(guò)程。

動(dòng)態(tài)落錘撕裂試驗(yàn)系統(tǒng)的裝置原理簡(jiǎn)單，適用范圍廣，任何規(guī)格的與試驗(yàn)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(guò)智能控制系統(tǒng)能夠保證錘頭接觸樣品時(shí)的速度是試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)速度，較好保證試驗(yàn)質(zhì)量。

4.2 動(dòng)態(tài)壓潰試驗(yàn)系統(tǒng)

軸向壓潰試驗(yàn)可由臺(tái)車(chē)碰撞系統(tǒng)、落錘試驗(yàn)機(jī)和中高速材料壓縮試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

試驗(yàn)中試樣是沖壓板材成形或者彎折U形，并經(jīng)過(guò)焊接得到薄壁梁結(jié)構(gòu)。試樣固定于剛性墻之上，臺(tái)車(chē)通過(guò)緩沖吸能裝置與剛性墻發(fā)生碰撞。此種驗(yàn)證系統(tǒng)不僅能夠較好契合實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)，而且試樣設(shè)計(jì)為典型的汽車(chē)縱梁形式，能夠更加準(zhǔn)確的測(cè)量材料性能數(shù)據(jù)。目前這種方法已獲得眾多檢測(cè)機(jī)構(gòu)和整車(chē)企業(yè)認(rèn)可，在材料動(dòng)態(tài)性能驗(yàn)證方面發(fā)揮重要作用。

5 高速拉伸曲線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)

高速拉伸曲線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)不僅能夠?qū)Ⅱ?yàn)證后的曲線(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于其中，并為CAE工程師提供高速拉伸曲線(xiàn)數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)對(duì)比、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。

高速拉伸曲線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)不僅存儲(chǔ)材料動(dòng)態(tài)拉伸的原始曲線(xiàn)和處理后曲線(xiàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠提供檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)設(shè)備、試件狀態(tài)等檢測(cè)條件以及楊氏模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)查看。數(shù)據(jù)庫(kù)中支持CAE工程師下載材料的檢測(cè)報(bào)告和曲線(xiàn)驗(yàn)證報(bào)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(yīng)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(fèi)者對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)注度大幅提升，國(guó)家對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品的監(jiān)管力度逐步加大，企業(yè)只有通過(guò)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(lài)。高速拉伸曲線(xiàn)數(shù)據(jù)從測(cè)試、處理到使用，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要更為精準(zhǔn)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(zhǔn)確。

本文基于行業(yè)面臨普遍問(wèn)題，從CAE仿真需求出發(fā)，建立動(dòng)態(tài)拉伸曲線(xiàn)檢測(cè)、處理、驗(yàn)證、存儲(chǔ)和導(dǎo)出的完善體系。一方面，解決整車(chē)企業(yè)面臨的面向CAE 模擬仿真的高應(yīng)變速率拉伸曲線(xiàn)的問(wèn)題；另一方面，為促進(jìn)汽車(chē)行業(yè)達(dá)成統(tǒng)一高速拉伸數(shù)據(jù)應(yīng)用規(guī)范打下基礎(chǔ)，有利于行業(yè)良性互動(dòng)合作，促進(jìn)國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)共同進(jìn)步。

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