白曉明，郭晶，燕際軍

（鞍鋼集團(tuán)本鋼板材股份有限公司，遼寧 本溪 117001）

隨著國內(nèi)汽車市場新車安全評價規(guī)程的完善，在車輛上市和銷售之前，需要在開發(fā)階段進(jìn)行被動安全試驗(yàn)，以確保滿足安全規(guī)定。新車評價計(jì)劃NCAP（New Car Assessment Program）給出了車身碰撞安全性能不同的試驗(yàn)形式和評價內(nèi)容。 碰撞研究分析可以通過對零部件進(jìn)行碰撞試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，汽車車身結(jié)構(gòu)的耐撞性和約束保護(hù)系統(tǒng)的檢測依靠實(shí)驗(yàn)的手段及工作人員的經(jīng)驗(yàn)來完成，實(shí)驗(yàn)周期長、成本高[1-6]。 目前汽車廠的主要手段是CAE 碰撞模擬分析，可以降低成本、 提高產(chǎn)品質(zhì)量，并有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期[7-10]。 金屬材料的本構(gòu)關(guān)系在動載作用下會具有不同的力學(xué)特性，在高速加載工況下材料的屈服極限會明顯提高，只具備靜態(tài)力學(xué)性能的汽車鋼板材料卡片不足以完成高精度的碰撞模擬。 因此隨著汽車CAE 碰撞模擬的發(fā)展，金屬材料的動態(tài)力學(xué)性能成為研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)[11-14]。 本研究以HC420/780DP 高強(qiáng)鋼為例，測試了材料的不同應(yīng)變速率的高速拉伸曲線，并對曲線進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，建立了高速拉伸材料卡，同時以前縱梁-保險杠模型為例，進(jìn)行了正面碰撞模擬分析。

1 動態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)材料采用HC420/780DP，材料厚度為1.2 mm，HC420/780DP 的力學(xué)性能見表1。

表1 HC420/780DP 的力學(xué)性能Table 1 Mechanical Properties of HC420/780DP

1.2 試驗(yàn)方法

材料按照GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》在Z100 電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)量程為100 kN，測試速度為0.001～500 mm/min；按照GB/T 30069.2-2016《高應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn) 第2 部分：液壓伺服型與其他類型試驗(yàn)系統(tǒng)》在ZWICK 高速拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行材料動態(tài)力學(xué)性能測試，試驗(yàn)機(jī)最大試驗(yàn)力為50 kN，測試速度0.001～20 m/s，動態(tài)過程中應(yīng)用高速攝像機(jī)拍攝試樣在動態(tài)試驗(yàn)過程中的二維變形。試樣取樣方向沿軋制方向，樣品尺寸如圖1 所示。

圖1 樣品尺寸Fig. 1 Simple Size

測試項(xiàng)目包括HC420/780DP 在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)共7 個應(yīng)變速率（0.001、0.1、1、10、100、500、1 000 s-1）的拉伸試驗(yàn)，每次試驗(yàn)重復(fù)3 次。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)后得到HC420/780DP 高強(qiáng)鋼不同應(yīng)變速率下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2 所示。

圖2 不同應(yīng)變速率下的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig. 2 Engineering Stress-strain Curves at Different Strain Rates

從圖2 中可以看出，應(yīng)變速率低于1 s-1時隨著應(yīng)變速率的增加，材料的力學(xué)性能基本保持不變；應(yīng)變速率較大時，隨著應(yīng)變速率的增加材料的強(qiáng)度與斷后伸長率均有所上升。隨著HC420/780DP高強(qiáng)鋼所承受的外載荷速率增加，鋼材晶體中位錯運(yùn)動所需的加速度變大，因而運(yùn)動位錯的速度也會隨之增加，導(dǎo)致高速拉伸下材料的位錯運(yùn)動阻力較大。 在拉伸速度較低時材料的位錯運(yùn)動與變形基本保持一致，因而力學(xué)性能變化較??；當(dāng)拉伸速度增加時，位錯運(yùn)動加速度增加，位錯運(yùn)動阻力也隨之增加，因此當(dāng)拉伸速度進(jìn)一步增加時，材料的強(qiáng)度與延伸率有較為明顯的增幅[15]。

依據(jù)公式（1）將工程應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)換為真應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線：

其中，εT為真實(shí)應(yīng)變；ε 為工程應(yīng)變；σT為真實(shí)應(yīng)力；σ 為工程應(yīng)力；εplastic為塑性應(yīng)變；E 為彈性模量。

獲得真實(shí)應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線后，刪除頸縮點(diǎn)之后的數(shù)據(jù)，使用Matlab 編程將頸縮之前的數(shù)據(jù)采用Swift-Hockett-Sherby 模型對曲線進(jìn)行統(tǒng)一擬合外推到1 的應(yīng)變（取三條試驗(yàn)曲線中居中的曲線），得到不同應(yīng)變速率下外推后的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3 所示。

圖3 不同應(yīng)變速率下外推后的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 3 Real Stress-strain Curves Extrapolated at Different Strain Rates

從圖3 中可以明顯看出，HC420/780DP 具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，隨著應(yīng)變率增加，材料的應(yīng)變呈增加的趨勢，數(shù)據(jù)滿足各應(yīng)變速率不交叉的條件。

2 動態(tài)性能數(shù)據(jù)材料卡制作

利用LS-PrePost 制作材料卡片，材料類型為MAT_24，輸入HC420/780DP 高強(qiáng)鋼的密度、彈性模量、泊松比等材料參數(shù)，并將應(yīng)變速率為0.001、0.1、1、10、100、500、1 000 s-1的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線導(dǎo)入LS-PrePost，所制成的HC420/780DP 高強(qiáng)鋼材料卡片關(guān)鍵字如圖4 所示。

圖4 HC420/780DP 材料卡片關(guān)鍵字Fig. 4 Keywords for Data Card of HC420/780DP

3 前縱梁碰撞模擬分析

3.1 有限元模型的前處理

建立前縱梁-保險杠的三維幾何模型，模擬試件采用與真實(shí)試件相同的設(shè)計(jì)尺寸。 使用HyperMesh 對其進(jìn)行幾何清理與網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)尺寸取5 mm×5 mm，控制最大尺寸為8 mm，最小尺寸為2 mm。由于雙相鋼具有良好的形變模式與較低的平均加速度，因此前縱梁材料選用HC420/780DP。 為了保護(hù)行人，保險杠材料選用HC220Y。

為保證模擬精度，在碰撞模擬研究中選取如圖5 所示的前縱梁-保險杠碰撞模擬的有限元模型進(jìn)行碰撞模擬，前端采用共節(jié)點(diǎn)的方式焊接有1 330 mm×1 040 mm×220 mm 的前縱梁-保險杠結(jié)構(gòu)，模型質(zhì)量為935 kg （其中臺車質(zhì)量為905 kg），模型網(wǎng)格數(shù)量為51 874 個殼單元，948 個體單元。臺車以4 m/s 的速度沿y 軸方向撞向剛性墻，碰撞過程總時長0.09 s。

圖5 前縱梁-保險杠碰撞模擬的有限元模型Fig. 5 Finite Element Model of Front Rail-bumper Crash Simulation

3.2 前縱梁正面碰撞分析

將HyperMesh 軟件中輸出的K 文件導(dǎo)入LSDYNA 軟件中進(jìn)行求解，求解后的輸出文件再調(diào)入Hyperview 和Hypergraph 中進(jìn)行后處理并輸出模擬結(jié)果。

圖6 為前縱梁-保險杠能量曲線，圖中可以看出，在碰撞的過程中，各能量曲線轉(zhuǎn)化穩(wěn)定且平滑，沒有發(fā)生顯著變化，總能量守恒，動能逐漸轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，內(nèi)能增加，動能減少。圖中沙漏能較低且恒大于0，沙漏能與總能量之比小于5%，符合模擬規(guī)定，可以認(rèn)為模擬結(jié)果精度好，分析曲線圖可靠。

圖6 前縱梁-保險杠能量曲線Fig. 6 Energy Curves of Front Rail-bumper

圖7為4 m/s 速度下的前縱梁-保險杠碰撞加速度曲線。 其中黑色斷點(diǎn)曲線為碰撞模擬的加速度原始曲線，從曲線可以看出，原始數(shù)據(jù)存在一定程度上的波動，因此需要濾去波形中的高頻成分。 濾波采用SAE J211 中所規(guī)定的CFC 60 對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，可以看出由HC420/DP780 制成的前縱梁碰撞后加速度較低，可以更好的保護(hù)車內(nèi)乘客。

圖7 前縱梁-保險杠加速度曲線Fig. 7 Acceleration Curves of Front Rail-bumper

4 結(jié)論

以高強(qiáng)鋼汽車板HC420/780DP 為例，試驗(yàn)獲得了不同應(yīng)變速率下的動態(tài)力學(xué)性能曲線，并建立了HC420/780DP 材料卡片，應(yīng)用到前縱梁-保險杠碰撞分析中，得到了碰撞分析結(jié)果，研究結(jié)果表明：

（1）HC420/780DP 高強(qiáng)鋼的動態(tài)力學(xué)性能具有明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，在應(yīng)變速率較低時隨著應(yīng)變速率的增加，HC420/780DP 力學(xué)性能幾乎不變；當(dāng)應(yīng)變速率大于1 s-1時強(qiáng)度與斷裂延伸率隨著應(yīng)變速率的增加存在明顯增量。

（2）研究汽車用鋼在高應(yīng)變速率范圍的動態(tài)力學(xué)行為，建立HC420/780DP 動態(tài)性能數(shù)據(jù)材料卡，為汽車輕量化合理選擇材料和車身安全性分析提供數(shù)據(jù)卡支撐。

（3）使用HC420/780DP 高強(qiáng)鋼高速拉伸曲線所制成的材料卡片可用于進(jìn)行碰撞模擬，模擬結(jié)果顯示前縱梁碰撞后加速度較低，為安全性能分析提供參考作用。