易有福 鄧高濤 王煥然

（1.國機(jī)智駿汽車有限公司研發(fā)中心，贛州 341000；2.寧波大學(xué)，沖擊與安全工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧波 315211）

1 前言

在汽車碰撞安全性能開發(fā)過程中，安全仿真技術(shù)是進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的常用手段，碰撞安全仿真的精度極大地依賴于輸入的材料動態(tài)力學(xué)本構(gòu)方程。金屬板材的動態(tài)力學(xué)性能一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)：賈存威等[1]采用LS-DYNA程序，對高導(dǎo)無氧銅柱狀試件的Hopkinson拉伸試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬與設(shè)計(jì)優(yōu)化；王煥然等[2]對鋁鎂合金的動態(tài)壓縮本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究與仿真校核；鄧高濤等[3]以QP980CR鋼為例，研究了鋼板材片狀試件的形狀和尺度對Hopkinson拉伸試驗(yàn)的影響；范春雷等[4-5]針對焊點(diǎn)在平面拉伸沖擊載荷下的力學(xué)響應(yīng)開展了一系列研究。在車用金屬材料力學(xué)性能方面，易有福等研究了輪轂鋁合金材料A356的微觀組織與力學(xué)性能間的關(guān)系[6]，以及鋼板材料的力學(xué)性能對汽車碰撞安全的影響[7]。本文首先采用試驗(yàn)的方法，確定B420LA鋼及HC420/780鋼的J-C型動態(tài)拉伸力學(xué)本構(gòu)方程，然后采用LS-DYNA程序?qū)φ囌媾鲎驳那翱v梁結(jié)構(gòu)變形模式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 2種鋼板材料動態(tài)拉伸本構(gòu)方程確定

準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)使用WDW-100 型靜態(tài)拉伸試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示。不同溫度和應(yīng)變率條件下的動態(tài)拉伸試驗(yàn)使用日本鷺工TS2000 檢力頭式材料高速試驗(yàn)機(jī)，如圖2所示。試驗(yàn)樣件的制作加工流程如圖3所示。

圖1 WDW-100型材料靜態(tài)拉伸試驗(yàn)機(jī)

圖2 TS2000檢力頭式材料高速試驗(yàn)機(jī)

圖3 鋼板材試件加工流程

B420LA及HC420/780DP鋼板材均加工成如圖4所示的標(biāo)準(zhǔn)試件[8]進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，試件厚度均為1.2 mm，試驗(yàn)溫度為293 K，應(yīng)變率均為10-3/s，2 種材料試件試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。

圖4 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)試件

圖5 2種板材準(zhǔn)靜態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

程超等[9]的研究結(jié)果表明，在汽車碰撞安全仿真過程中，材料的應(yīng)變率效應(yīng)對仿真精度有影響。將2種鋼板材加工成如圖6所示的試件，進(jìn)行不同應(yīng)變率和溫度條件下的動態(tài)拉伸試驗(yàn)，試件厚度均為1.2 mm，加工后的實(shí)際試件如圖7所示。2種材料的試驗(yàn)采用相同的動態(tài)拉伸試驗(yàn)條件，如表1所示。試件的加溫設(shè)備由加熱爐、熱電偶、溫控儀及溫度顯示器組成，加溫試驗(yàn)的具體過程為：試件加溫到需要的溫度，并保持恒溫穩(wěn)定5 min后，確保試件內(nèi)外的溫度一致，然后進(jìn)行動態(tài)拉伸試驗(yàn)。B420LA 材料試件試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)果如圖8所示，圖中T為試驗(yàn)絕對溫度，為平均應(yīng)變率；HC420/780DP材料試件試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)果如圖9所示，試驗(yàn)曲線均經(jīng)過S-G法濾波處理。

圖6 動態(tài)拉伸試驗(yàn)試件

圖7 動態(tài)拉伸試驗(yàn)試件實(shí)物

圖8 B420LA鋼板材動態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線與擬合曲線

圖9 HC420/780DP鋼板材動態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線與擬合曲線

表1 B420LA及HC420/780DP鋼板材動態(tài)拉伸試驗(yàn)條件

J-C本構(gòu)方程[10]的表達(dá)式為：

根據(jù)J-C 本構(gòu)方程表達(dá)式及不同應(yīng)變率和溫度下的試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，即可擬合出材料的J-C 型動態(tài)拉伸本構(gòu)參數(shù)。經(jīng)仿真標(biāo)定的J-C 型動態(tài)拉伸本構(gòu)方程擬合參數(shù)如表2 所示，2 種材料的參數(shù)曲線與試驗(yàn)塑性階段應(yīng)力應(yīng)變曲線對比結(jié)果分別見圖8、圖9。

表2 2種鋼板材J-C型動態(tài)拉伸本構(gòu)方程擬合結(jié)果

3 整車正面碰撞的建模分析

本文的研究對象為某A00級純電動汽車，整備質(zhì)量為797 kg。前縱梁的初版結(jié)構(gòu)如圖10所示，左、右縱梁內(nèi)板厚1.8 mm，縱梁外板厚1.6 mm?？v梁布置有電機(jī)前懸置安裝橫梁支架，電機(jī)懸置的布置方式為前、后布置，其中前懸2個(gè)點(diǎn)、后懸1個(gè)點(diǎn)。采用LS-DYNA程序，按照GB 11551—2014《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》[11]要求的整車正面碰撞工況對該車型進(jìn)行仿真建模分析，仿真工況為整車以50 km/h 的速度完全正面碰撞剛性墻。仿真過程中前縱梁材料參數(shù)采用前文確定的B420LA材料的J-C 型本構(gòu)方程，模擬常溫（溫度設(shè)定為373 K）下的碰撞試驗(yàn)，不考慮結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致的溫升效應(yīng)。

圖10 優(yōu)化前前縱梁及電機(jī)前懸置安裝橫梁支架設(shè)計(jì)方案

碰撞過程中前縱梁結(jié)構(gòu)的變形過程如圖11 所示，左、右兩側(cè)的整車加速度波形（加速度信號取自B 柱下側(cè)）如圖12 所示，加速度波形采用C60 通道進(jìn)行濾波[11]。由圖11 可知，前縱梁前端（第一變形誘導(dǎo)槽處）有一次完全折疊壓潰，第二及第三變形誘導(dǎo)槽處壓潰變形不理想。整車加速度波形峰值左側(cè)為58.1g，右側(cè)為56.2g，加速度峰值較高，對假人的沖擊傷害較大，需要進(jìn)行優(yōu)化。正面碰撞過程中前圍板X正向侵入量最大時(shí)刻的位移云圖如圖13所示，最大位移位于左、右前縱梁根部，并向中間延伸，過程最大侵入量為208.7 mm，最大位移點(diǎn)位于右側(cè)前縱梁根部。碰撞過程中侵入量較大，需要優(yōu)化。

圖11 優(yōu)化前前縱梁及電機(jī)前懸置安裝橫梁碰撞變形過程

圖12 優(yōu)化前、后整車加速度對比

圖13 優(yōu)化前正碰過程前圍板X正向侵入量最大時(shí)刻位移云圖

4 前縱梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真分析

前縱梁及電機(jī)前懸置安裝橫梁支架優(yōu)化方案如圖14 所示。優(yōu)化模型仿真過程中前縱梁材料參數(shù)采用前文確定的HC420/780DP 材料的J-C 型本構(gòu)方程，模擬常溫（溫度設(shè)定為373 K）下的碰撞試驗(yàn)，不考慮結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致的溫升效應(yīng)。

圖14 前縱梁及電機(jī)前懸安裝橫梁支架優(yōu)化方案示意

前縱梁結(jié)構(gòu)的變形過程如圖15所示，左、右兩側(cè)的整車加速度波形見圖12。由圖15 可知，前縱梁前端第一及第二變形誘導(dǎo)槽處各形成一個(gè)完全折疊壓潰，第三變形誘導(dǎo)槽處出現(xiàn)明顯折彎變形，并且整個(gè)前縱梁呈現(xiàn)內(nèi)“Z”字型壓潰變形模式，縱梁結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定。優(yōu)化后左側(cè)整車加速度峰值降為38.0g，峰值比優(yōu)化前降低20.1g；優(yōu)化后右側(cè)整車加速度峰值降為39.2g，峰值比優(yōu)化前降低17g。優(yōu)化后模型正面碰撞過程中前圍板X正向侵入量最大時(shí)刻的位移云圖如圖16 所示，最大侵入量位于左側(cè)縱梁根部偏中間區(qū)域，過程最大侵入量為182.2 mm，優(yōu)化后前圍板侵入量最大值降低26.5 mm。

圖15 優(yōu)化后前縱梁及電機(jī)前懸置安裝橫梁碰撞變形過程

圖16 優(yōu)化后正碰過程前圍板X正向侵入量最大時(shí)刻位移云圖

5 結(jié)束語

本文根據(jù)不同溫度及應(yīng)變率條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線確定了HC420LA 及HC420/780DP 鋼板材料的J-C型動態(tài)拉伸本構(gòu)方程。采用LS-DYNA程序?qū)η翱v梁使用HC420LA 鋼板材料的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，研究了縱梁變形模式與整車加速度結(jié)果，并對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。采用LS-DYNA程序?qū)?yōu)化后的縱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真分析。結(jié)果表明，優(yōu)化后的前縱梁壓潰變形模式更優(yōu)，整車加速度峰值明顯降低，前圍板的侵入量也明顯降低。