劉俊,王靜,鄭曉雪
(陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院,陜西 西安 710200)
主題詞:鋁合金;徑向壓潰力;仿真
輕量化材料的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化最直接有效的方式,鋁合金具有密度低、易擠壓成型、力學(xué)性能優(yōu)良,廣泛的應(yīng)用于汽車工業(yè)。研究顯示,典型鋁制零件一次減重可達(dá)30%~40%,二次減重可達(dá)50%,而汽車每減重質(zhì)量10%,可實(shí)現(xiàn)節(jié)油6%~8%[1]。某商用車鋁合金前下防護(hù)P2 加載試驗(yàn)過程中(GB26511-2011),發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果偏差較大,試驗(yàn)結(jié)果橫梁壓潰,而仿真結(jié)果橫梁僅少許變形。本文旨在從仿真角度,分析不同建模原因?qū)τ阡X合金截面徑向壓潰力的影響,利用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)壓縮鋁合金截面,驗(yàn)證仿真分析過程的準(zhǔn)確性,調(diào)整模型參數(shù),從而提高仿真的有效性,為后期的防護(hù)法規(guī)試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。
試驗(yàn)材料為6 系6005A-T6,擠壓鋁型材,其基本性能指標(biāo)見表1,材料的塑性參數(shù)采用多線性彈塑性材料模型MAT 24 描述:
表1 鋁合金性能指標(biāo)
表2 試驗(yàn)結(jié)果
圖1 截面形狀
圖2 試驗(yàn)?zāi)P?/p>
圖3 試驗(yàn)結(jié)果
本試驗(yàn)采用分別長(zhǎng)約60mm 和400mm 的橫梁,其截面如圖1 所示,試件靜置于試驗(yàn)機(jī)底座中心,液壓缸下壓,萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)以20mm/min 的速度完成壓縮試驗(yàn),如圖2 所示,每組試驗(yàn)3 次,記錄壓潰力峰值,其中60mm 為校準(zhǔn)模型試驗(yàn),400mm 為驗(yàn)證模型試驗(yàn),結(jié)果如表2 所示,試驗(yàn)結(jié)果存在一致性。
實(shí)體單元模擬結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確,首先利用60mm 長(zhǎng)的截面劃分不同的網(wǎng)格數(shù)量來判定模型的收斂性能,壓潰力主要由橫梁截面的厚度來決定的,對(duì)于截面內(nèi)側(cè)筋板分別劃分3 層、5 層、7 層網(wǎng)格來判斷網(wǎng)格的收斂性。六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格長(zhǎng)寬比小于3,結(jié)果如圖4 所示,當(dāng)網(wǎng)格尺寸趨于5 層時(shí),壓潰力結(jié)果趨于收斂,最大壓潰力約6.14t??s減積分中,網(wǎng)格層數(shù)越小,壓潰力越大。
選擇不同的單元積分類型進(jìn)行分析,塑性應(yīng)變結(jié)果如圖5,當(dāng)實(shí)體單元類型eleform=1 時(shí),為單點(diǎn)縮減積分常應(yīng)力單元,具有高效、穩(wěn)定特點(diǎn),縮減積分可能存在沙漏,需要較高的網(wǎng)格密度準(zhǔn)確的模擬分析過程;當(dāng)實(shí)體單元類型eleform=2 時(shí),為選擇性的縮減積分實(shí)體單元,可能引起剪切自鎖[2],在壓縮過程中,長(zhǎng)寬比過大,自鎖現(xiàn)象尤為明顯。由于實(shí)體單元中積分點(diǎn)的增加,計(jì)算時(shí)間增大較多,當(dāng)為5層單元全積分時(shí),從圖示得知,壓潰力失準(zhǔn),最大壓潰力約8.01t。
圖4 實(shí)體單元?jiǎng)偠惹€
圖5 實(shí)體單元塑性應(yīng)變
實(shí)體單元在實(shí)際應(yīng)用中,并不可能大規(guī)模使用,可以通過合理的簡(jiǎn)化方式來簡(jiǎn)化模型。去除圓角特征,不同的厚度建立不同的component,分別用單元尺寸為10mm、7mm、5mm、3mm 劃分網(wǎng)格,在單元尺寸5mm 時(shí),如圖6,壓潰力模型趨于收斂,最大壓潰力約6.22t。由于縮減積分的原因,網(wǎng)格尺寸10mm 時(shí)存在較大的沙漏。殼單元中eleform=2 時(shí),為Belytschko-Tsay 算法,具有快速求解的優(yōu)點(diǎn),但是不能夠精確的處理翹曲,且存在沙漏;eleform=16 時(shí),為全積分函數(shù),計(jì)算速度較eleform=2 相比較慢,能夠較好的處理殼體翹曲和沙漏,但是存在自鎖,自鎖導(dǎo)致壓潰力峰值異常。如圖7 所示,當(dāng)網(wǎng)格尺寸取3mm 時(shí),塑性應(yīng)變的分布趨勢(shì)與實(shí)體網(wǎng)格一致,但由于單元類型的原因,塑性應(yīng)變結(jié)果略小。
圖6 殼單元?jiǎng)偠惹€
圖7 殼單元塑性應(yīng)變
準(zhǔn)靜態(tài)分析中,允許存在一定的速度和位移,只是慣性力在此過程中可以忽略不計(jì)。為了加快求解速率,通常提高加載速度或者質(zhì)量縮放,但是較快的速率會(huì)使模型出現(xiàn)非真實(shí)的動(dòng)態(tài)效應(yīng),產(chǎn)生非真實(shí)的應(yīng)力波。分析不同加載速度對(duì)壓潰力的影響,如圖8 所示,加載速率的提高,使得最大壓潰力的承載逐步增大,在50mm/s 時(shí)尤為明顯。通過提高加載速度的方法進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓潰計(jì)算時(shí),動(dòng)能內(nèi)能比值需要小于2%[4],上述模擬滿足此要求。
圖8 加載速率的影響
通過比對(duì)不同的模型結(jié)果,確定合適的模型參數(shù),利用長(zhǎng)度約400mm 的長(zhǎng)度校核模型的準(zhǔn)確性,其剛度結(jié)果如圖9所示,單元尺寸為3mm 的縮減積分殼單元可以較準(zhǔn)確的模擬了壓潰力,最大壓潰力約16.59t,與試驗(yàn)偏差約2.3%,但塑性應(yīng)變結(jié)果與實(shí)體單元相比略小,可以滿足仿真需求。
圖9 400mm 剛度
圖10 400mm 塑性應(yīng)變
本文的目的是仿真截面徑向壓潰力,對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果,選擇合理的建模方法和模型參數(shù),確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。
(1)選擇合理的實(shí)體單元類型可以有效的模擬壓潰過程,且最大壓潰力與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高,縮減積分的使用可以有效的避免剪切自鎖,但需要更高的網(wǎng)格密度;
(2)細(xì)化的殼網(wǎng)格塑性應(yīng)變結(jié)果與實(shí)體網(wǎng)格結(jié)果趨勢(shì)一致,且殼單元塑性應(yīng)變結(jié)果略??;殼單元?jiǎng)偠扰c實(shí)體網(wǎng)格剛度存在定量差異,且殼網(wǎng)格剛度略小于實(shí)體網(wǎng)格剛度;
(3)提高加載速率,可以有效的減小計(jì)算時(shí)間,速率越高,壓潰力越大,但過高的加載速率易引起結(jié)果失真,合理的加載速率需要結(jié)合模型結(jié)構(gòu)和材料應(yīng)變率等來確定。