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        汽車動力總成懸置的碰撞失效模擬研究?

        2019-02-15 08:28:46吳長鵬張坤倫張思彭
        汽車工程 2019年1期
        關(guān)鍵詞:落錘縱梁卡片

        吳長鵬,謝 斌,潘 鋒,羅 昆,張坤倫,張思彭

        (1.東風(fēng)日產(chǎn)乘用車技術(shù)中心,廣州 510800; 2.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廈門 361024;3.上海迅仿工程技術(shù)有限公司,上海 201821)

        前言

        汽車正面碰撞中動力總成懸置對縱梁的變形模式和車身加速度有著重要影響,碰撞安全性能開發(fā)普遍要求懸置支架在碰撞過程中能發(fā)生斷裂失效以降低動力總成對車身的沖擊。盡管現(xiàn)階段CAE仿真被大范圍應(yīng)用于汽車碰撞模擬與安全開發(fā)中,但發(fā)動機(jī)懸置總成在碰撞過程的斷裂失效模擬長期以來仍然是制約整車碰撞仿真精度的重要因素[1-2]?,F(xiàn)階段普遍通過碰撞試驗(yàn)獲得的懸置失效時(shí)刻來標(biāo)定碰撞CAE模型,但此方法不具備碰撞試驗(yàn)前對懸置失效的正向預(yù)測能力[3]。

        目前常用韌性斷裂失效準(zhǔn)則包括Johnson-Cook損傷模型、修正的Mohr-Coulom(MMC)損傷模型和CrachFEM失效模型等[4]。前兩個(gè)損傷模型主要適用于以殼單元模擬的金屬材料,CrachFEM失效準(zhǔn)則用于實(shí)體單元的應(yīng)力狀態(tài)表征與失效判據(jù)[5]。本文將采用CrachFEM斷裂失效準(zhǔn)則,進(jìn)行系統(tǒng)化材料力學(xué)性能試驗(yàn),建立帶有失效準(zhǔn)則的鑄鋁懸置支架材料卡片,利用懸置支架部件級落錘沖擊試驗(yàn)與仿真對標(biāo),提出鑄鋁懸置總成的建模方法,實(shí)現(xiàn)碰撞工況下懸置支架的斷裂失效模擬。通過某車型的正面碰撞仿真與試驗(yàn)對比,表明懸置失效模擬方法的準(zhǔn)確性,為汽車碰撞安全開發(fā)提供扎實(shí)的技術(shù)支撐。

        1 CrachFEM韌性失效準(zhǔn)則

        CrachFEM韌性失效準(zhǔn)則將引起材料失效的形式分為韌性法向失效、韌性剪切失效和金屬材料受拉發(fā)生頸縮引起的失效[6]。頸縮失效主要面向鈑金件,對于鑄鋁懸置主要以法向和剪切失效為主。平面應(yīng)力狀態(tài)下,應(yīng)力三軸度η可唯一描述單元應(yīng)力狀態(tài),即

        式中:p為靜水壓力;σM為Mises等效應(yīng)力。但在三維問題中應(yīng)力三軸度不再唯一描述單元應(yīng)力狀態(tài)。因此引入變量主應(yīng)力比v=σ1/σM,結(jié)合應(yīng)力三軸度提出了一個(gè)全新的三維應(yīng)力狀態(tài)表征參數(shù)β,即

        式中snf為材料相關(guān)的參數(shù)?;谌卤碚鲄?shù)β,韌性法向失效準(zhǔn)則為

        式中d和q為參數(shù),須通過材料試驗(yàn)結(jié)果擬合求得。

        同理,剪切失效準(zhǔn)則引入剪切應(yīng)力與Mises應(yīng)力比,結(jié)合應(yīng)力三軸度提出了三維應(yīng)力表征參數(shù)θ,即

        式中ksf為材料相關(guān)的參數(shù)。其剪切失效準(zhǔn)則可以表述為

        式中:θ+和θ-為雙軸拉伸和壓縮的應(yīng)力狀態(tài),相應(yīng)的ε+sf和為雙軸拉伸和壓縮的失效應(yīng)變??赏ㄟ^雙軸穿孔試驗(yàn)獲得,其它參數(shù)如,j,ksf則需要基于材料試驗(yàn)結(jié)果擬合獲得。

        針對懸置鑄鋁材料將以實(shí)體單元模擬為主,將開展系統(tǒng)化材料力學(xué)試驗(yàn)獲得韌性法向和剪切失效準(zhǔn)則的參數(shù),準(zhǔn)確模擬材料失效特性。

        2 鑄鋁材料卡片的建立

        2.1 系統(tǒng)化材料力學(xué)試驗(yàn)

        對于鑄鋁懸置而言,高壓鑄造工藝對其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響至關(guān)重要。為能準(zhǔn)確表征實(shí)際鑄鋁懸置的力學(xué)性能,采用水切割工藝從實(shí)際零件支架中切取試驗(yàn)樣件,如圖1(a)所示。經(jīng)過大量截面結(jié)果統(tǒng)計(jì),橫截面積超過10mm2的高壓鑄鋁材料內(nèi)部容易出現(xiàn)縮孔,直接影響其材料力學(xué)性能。本文中也從其它區(qū)域進(jìn)行樣件切割來兼顧高壓鑄造工藝對鑄鋁懸置性能的影響,如圖1(b)所示。

        圖1 材料試驗(yàn)樣件切割位置

        鑄鋁材料塑性硬化行為的應(yīng)變率效應(yīng)不明顯,但斷裂失效應(yīng)變有很強(qiáng)的應(yīng)變率相關(guān)性。選擇準(zhǔn)靜態(tài)0.001/s和動態(tài)100/s兩種應(yīng)變率開展鑄鋁材料的失效特性研究。為擬合法向失效準(zhǔn)則和剪切失效準(zhǔn)則的參數(shù),最佳的試驗(yàn)矩陣推薦如表1所示。所有試驗(yàn)的樣件尺寸都經(jīng)過準(zhǔn)確設(shè)計(jì)以表征相應(yīng)的應(yīng)力三軸度和主應(yīng)力比(或剪應(yīng)力比)。通過測量試驗(yàn)后樣件在斷口區(qū)域的厚度和減薄率來計(jì)算該應(yīng)力狀態(tài)的失效應(yīng)變值。表1中的失效應(yīng)變?yōu)?次重復(fù)性試驗(yàn)的平均值。圖2為試驗(yàn)后的樣件圖片。

        表1 鑄鋁材料系統(tǒng)化力學(xué)試驗(yàn)矩陣

        圖2 高壓鑄鋁AL-HPDC系統(tǒng)化材料力學(xué)試驗(yàn)

        2.2 高壓鑄鋁材料失效卡片的建立

        鑄鋁材料的仿真卡片開發(fā)主要包括彈塑性模型和失效模型,其中彈塑性模型主要為塑性硬化準(zhǔn)則和屈服軌跡。圖3為鑄鋁材料準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸和壓縮試驗(yàn)得到的塑性應(yīng)變-真應(yīng)力曲線,由于鑄鋁材料非常脆,單軸拉伸在應(yīng)變?yōu)?.01就發(fā)生斷裂,不適用于塑性硬化曲線的外推。面內(nèi)壓縮試驗(yàn)可以獲得有效塑性段在0.5范圍的應(yīng)力應(yīng)變曲線,可以結(jié)合單軸拉伸和壓縮曲線對鑄鋁材料進(jìn)行塑性硬化準(zhǔn)則的擬合。

        通常鑄鋁材料存在明顯的拉壓不對稱性,即壓縮強(qiáng)度高于拉伸強(qiáng)度。通過擬合計(jì)算圖3拉伸和壓縮曲線得到拉伸強(qiáng)度為壓縮強(qiáng)度的0.855倍,將壓縮曲線縮放0.855倍并結(jié)合拉伸曲線開展鑄鋁材料的塑性硬化行為擬合與外推,常用硬化準(zhǔn)則有Swift準(zhǔn)則、Hocket-Sherby準(zhǔn)則和Ghosh準(zhǔn)則[7]。通過擬合表明,Ghosh準(zhǔn)則與縮放后的壓縮強(qiáng)度曲線最為匹配,如圖4所示。

        圖3 塑性真應(yīng)變-真應(yīng)力曲線

        由于鑄鋁材料的拉壓不對稱性,碰撞仿真中不能使用各向同性Mises準(zhǔn)則描述材料屈服軌跡,須對屈服面做相應(yīng)修正。圖5為修正后的屈服軌跡示意圖,主要修正的是拉伸和壓縮的不對稱性行為,從而體現(xiàn)壓縮強(qiáng)度大于拉伸強(qiáng)度的現(xiàn)象。

        圖4 鑄鋁塑性硬化曲線

        圖5 修正后的鑄鋁屈服軌跡

        利用表1中7種應(yīng)力狀態(tài)下的失效應(yīng)變值,結(jié)合CrachFEM韌性失效準(zhǔn)則,開展法向斷裂和剪切失效準(zhǔn)則的參數(shù)擬合。失效面實(shí)際為一個(gè)三維曲面,其在平面應(yīng)力狀態(tài)下顯示的剪切和法向失效曲線如圖6所示。鑄鋁的斷裂失效有較為敏感的應(yīng)變率效應(yīng),碰撞仿真中須兼顧其應(yīng)變率影響,以確保仿真精度的可靠性。

        圖6 平面應(yīng)力狀態(tài)下的失效曲線

        為驗(yàn)證材料卡片的準(zhǔn)確性,開展了部分?jǐn)嗔咽г囼?yàn)的仿真。通過失效應(yīng)變和力-位移曲線評估卡片可靠性,主要開展直角開槽樣件拉伸、圓孔樣條三點(diǎn)彎曲和穿孔試驗(yàn)的準(zhǔn)靜態(tài)仿真。表2給出了3種試驗(yàn)的3次重復(fù)性試驗(yàn)獲得的失效應(yīng)變值和仿真失效應(yīng)變值對比,可見仿真失效應(yīng)變落在試驗(yàn)區(qū)間內(nèi)。圖7為3種試驗(yàn)仿真的力-位移曲線對比,可見曲線吻合良好。直角開槽、圓孔樣條和穿孔的仿真與試驗(yàn)曲線的相關(guān)度分別達(dá)到98%,94%和91%,因此鑄鋁材料卡片是準(zhǔn)確有效的。

        表2 試驗(yàn)與仿真的失效應(yīng)變對比

        圖7 3種斷裂試驗(yàn)與仿真的力-位移曲線

        2.3 鑄鋁懸置的動態(tài)沖擊仿真對標(biāo)

        由于鑄鋁材料的斷裂失效與應(yīng)變率密切相關(guān),因此開展落錘沖擊試驗(yàn)來驗(yàn)證動態(tài)沖擊下的鑄鋁失效模擬的準(zhǔn)確性。圖8為鑄鋁懸置支架的落錘沖擊試驗(yàn)過程圖。落錘質(zhì)量為54kg,從0.75m的高度自由下落撞擊懸置支架頂部,鑄鋁懸置在螺栓安裝孔周圍發(fā)生撕裂。

        圖8 落錘試驗(yàn)過程

        落錘沖擊的有限元模型如圖9(a)所示。為準(zhǔn)確描述鑄鋁裂紋的產(chǎn)生,使用的單元網(wǎng)格尺寸為4mm,采用2階10節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,結(jié)構(gòu)在厚度方向至少均勻分布兩層網(wǎng)格,以有效預(yù)測結(jié)構(gòu)在彎折變形下的應(yīng)力狀態(tài)。螺栓孔盡量細(xì)化,使螺栓與鑄鋁結(jié)構(gòu)接觸力合理分配。懸置總成中的橡膠、襯套和澆注螺栓等過渡區(qū)域均采用共節(jié)點(diǎn)建模,以確保模型計(jì)算的穩(wěn)定性和收斂。安裝螺栓采用焊點(diǎn)BEAM單元和包殼單元模擬,通過?INITIAL_AXIAL_FORCE對BEAM單元施加螺栓預(yù)緊力[8],使模型更逼近實(shí)際情況,如圖9(b)所示。

        圖9 落錘沖擊有限元懸置支架模型

        圖10 為懸置支架動態(tài)沖擊試驗(yàn)和仿真的失效對比。由圖可見,裂紋產(chǎn)生區(qū)域與試驗(yàn)完全吻合,且整個(gè)鑄鋁斷裂失效路徑與試驗(yàn)一致性良好。圖11為沖擊力響應(yīng)對比。由圖可知,碰撞力曲線的吻合較好,仿真可準(zhǔn)確模擬鑄鋁的碰撞失效過程。基于CrachFEM失效準(zhǔn)則開發(fā)的材料卡片可有效預(yù)測材料在沖擊載荷作用下的破裂行為。

        圖10 懸置支架落錘沖擊試驗(yàn)與仿真失效對比

        圖11 懸置支架動態(tài)沖擊力響應(yīng)對比

        3 整車碰撞仿真

        將詳細(xì)建模的懸置總成集成至整車碰撞模型中,包括詳細(xì)網(wǎng)格建模和帶有失效的鑄鋁材料卡片等,開展100%重疊剛性壁障正面碰撞仿真分析。圖12為整車正面碰撞中鑄鋁懸置在26-29ms的時(shí)序圖。26ms時(shí)懸置襯套上部產(chǎn)生裂紋,27ms時(shí)刻前端區(qū)域發(fā)生斷裂,29ms時(shí)刻鑄鋁懸置支架在襯套區(qū)域整體發(fā)生斷裂,變速器殼體與前縱梁發(fā)生脫離,與整車碰撞試驗(yàn)傳感器獲得的27ms懸置斷裂時(shí)刻基本一致,且懸置斷裂失效位置與試驗(yàn)完全相同。

        圖12 鑄鋁懸置斷裂失效時(shí)序圖

        圖13 為全寬正面碰撞下前縱梁的變形圖。縱梁在根部發(fā)生彎折及上抬變形,與試驗(yàn)中縱梁的變形模式完全一致。通過預(yù)測懸置失效可準(zhǔn)確模擬變速器總成對懸置總成及前縱梁的沖擊,使縱梁變形模式更加貼合實(shí)際情況,這是目前采用失效時(shí)刻定義懸置總成與縱梁脫離的模擬方法無法實(shí)現(xiàn)的。

        圖13 前縱梁變形模式對比

        圖14 為車身B柱底部試驗(yàn)與仿真的加速度曲線,在準(zhǔn)確模擬出懸置的斷裂失效和縱梁變形模式前提下,碰撞仿真中車體加速度波形與試驗(yàn)吻合良好。整車碰撞案例進(jìn)一步說明基于CrachFEM的材料失效模型可準(zhǔn)確模擬懸置支架斷裂,有效提升正面碰撞的仿真精度。

        為合理驗(yàn)證懸置失效模擬方法的可靠性,共開展了兩套不同懸置總成(含左右縱梁懸置)下的兩款整車正面碰撞仿真,包括100%全寬正面碰撞(FFB)和40%正面偏置碰撞(ODB),結(jié)合試驗(yàn)提取的懸置斷裂失效時(shí)刻來判斷合理性。表3和表4分別為車型A和車型B仿真與試驗(yàn)的懸置斷裂時(shí)刻對比,總體誤差不超過3ms,且懸置模擬方法在兩個(gè)車型不同懸置總成的表現(xiàn)穩(wěn)健,可為后續(xù)在車型開發(fā)的應(yīng)用中提供可靠的仿真手段。

        圖14 車體加速度波形對比

        表4 某B級車懸置斷裂失效時(shí)刻對比 ms

        4 結(jié)論

        針對正面碰撞仿真中懸置斷裂失效模擬的難題,基于CrachFEM韌性失效準(zhǔn)則,對懸置高壓鑄鋁材料開展系統(tǒng)化力學(xué)性能試驗(yàn)基礎(chǔ)上,建立了帶有失效準(zhǔn)則的鑄鋁材料卡片,通過動態(tài)落錘試驗(yàn)與仿真對標(biāo)驗(yàn)證了高壓鑄鋁材料卡片的準(zhǔn)確性和懸置建模方法的可靠性。通過整車碰撞仿真表明,Crach-FEM失效模型可準(zhǔn)確模擬懸置總成在受到碰撞載荷工況下的斷裂失效行為,在懸置斷裂時(shí)刻和失效位置上與試驗(yàn)保持良好的一致性。動力總成懸置碰撞失效模擬方法的應(yīng)用對提高碰撞仿真精度和安全開發(fā)能力有積極指導(dǎo)作用,為碰撞性能開發(fā)提供可靠的仿真評估手段。

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