基于動態拉伸的車用金屬材料CAE應用機制研究

王立新　賈彥敏　徐樹杰　康醫飛　張連桐

摘 要：高速拉伸曲線對于碰撞模擬仿真的準確度具有重要影響。相比于靜態拉伸，高速拉伸試驗具有測試方法復雜、后處理影響因素多、準確性難以保障等特點。構建面向全行業準確度高、系統全面的高速拉伸曲線數據體系具有重大的行業價值。本文對高速拉伸檢測、數據后處理、數據準確性驗證以及數據庫開發等技術進行詳細研究和闡述，建立一套完整的高速拉伸數據后處理流程，初步實現了高速拉伸準確檢測到精確應用的數據體系構建方法。

關鍵詞：車用材料；高速拉伸；后處理；數據驗證

1 引言

安全、節能、環保是當今汽車發展的主題。汽車的安全性是評價汽車級別的重要指標之一，其直接體現在整車碰撞過程中吸收撞擊能量和對乘員及行人保護能力上[1]。近年來模擬仿真技術已廣泛應用于汽車設計和開發之中，在縮短研發周期、降低產品成本等方面產生積極作用。汽車碰撞過程中材料變形是高應變的動態過程，其應變速率分布在10-1～103/s之間[2]。車輛碰撞安全可靠性分析對材料在高應變速率條件下的塑性性能參數提出了評測需求。

現階段，車用材料制備汽車結構件需要在前期設計中進行更多的模擬和試驗，CAE動態分析是不可或缺的。而國內汽車行業車用材料動態拉伸面臨著測試規范多而不統一、數據積累不足、數據后處理方法差異較大等問題，無法建立面向碰撞模擬仿真完整的數據體系，極大抑制國內汽車行業CAE仿真技術的進步。基于以上，本文以寶鋼熱成型鋼為例，從車用材料動態檢測出發，圍繞數據后處理、準確性驗證以及數據庫構建，進行完整的材料動態拉伸數據應用機制的研究。

2 高速拉伸試驗方法研究

2.1 高速測試應變率范圍

基于汽車碰撞模擬仿真所需的材料高速拉伸應變率一般在10-3～103/s之間，當應變率低于10-1/s時，可采用準靜態拉伸試驗機檢測；當應變率高于10-1/s時，準靜態試驗過程中使用的載荷傳感器由于波的多次反射對載荷信號造成嚴重干擾，因此需采用特殊的載荷測定技術，一般通過液壓伺服系統和彈性桿型系統解決。

2.2 車用材料高速拉伸試驗

本文選取1.6mm厚的熱成型鋼板，以此為例闡述車用材料高速拉伸試驗及方法。硼鋼具有良好的熱成型性能，模具淬火后鋼板抗拉強度達到1400MPa以上，成型件具有高強度和輕量化等優點，適用于車門防撞梁，A、B、C柱等位置。

高速測試中材料的準靜態和動態拉伸進行6個應變率（0.001/s、1/s、10/s、100/s、500/s、1000/s）的實驗，實驗設計參考國標GB/T228.1-2010和國際標準ISO 26203-2-2011（如圖1所示）。鑒于高速拉伸試驗機傳感器測得信號波動較大，試驗中采用試件彈性區粘貼應變片的方法測試拉力值[3]。

2.3 試驗結果

試驗過程中為保證試驗重復性，每個應變率曲線進行3次試驗，選取試驗的中間曲線作為此應變率下的試驗結果曲線。不同應變率下熱成型鋼工程應力應變曲線如圖2所示，隨著應變率的提升，材料的屈服強度和抗拉強度都發生較大的提升，表現出很強的應變率敏感特性，可以清晰看出應變率提高，材料抗拉強度和屈服強度明顯增加。

3 高速拉伸曲線數據處理

3.1 試驗數據處理原理

鋼材的工程應力應變與真實應力應變轉化關系如下所示。

εT=1n（1+ε） （1）

σT=σ*（1+ε） （2）

εplastic=εT·σT/E （3）

其中ε為工程應變，σ為工程應力，εplastic為塑性應變，E為彈性模量。

3.2 曲線擬合外推

轉換后的塑性應變真應力曲線是通過積分方式獲得，能夠真實反映試樣變形積累過程，但頸縮點后的數據偏離單軸拉伸應力狀態，試驗曲線是無效的。目前常用的處理方法是對頸縮后的數據進行剔除，并基于動態拉伸試驗得到的載荷位移曲線，結合CAE仿真軟件，將頸縮前的數據以多曲線法或經驗公式法等方法進行修正。

經驗公式修正法是基于材料經驗本構模型，基于頸縮前的數據求解出本構模型中的參數，并將曲線外延至塑性應變為1。利用Swift-Hocketty-Sherby本構模型對同種材料的多個應變率曲線進行統一擬合外推能夠較好的解決這一問題。

Swift-Hocketty-Sherby本構模型如下式：

σ=（1-α）{C（εpl+εD）m}+α[σsat（σsat-σi）

] （4）

式中：α為加權系數，C、m、p為擬合參數， 0<α<1，C>0，m>0，p>0

無論是多曲線法還是經驗公式法外推，最后都要保證所有應變率曲線在同一坐標系下不發生交叉，處理結果如圖3所示。

3.3 數據曲線標定

數據標定是以動態拉伸過程中獲得的載荷位移曲線（或載荷時間曲線）為基準，建立動態拉伸的LS-DYNA模型（CAE模型圖如圖4所指示），將處理后的真應力應變數據輸入CAE模型中，模擬材料動態拉伸過程，將模擬得到的載荷位移數據與試驗得到的載荷數據進行對比。最終通過對處理后曲線數據進行調整，以保證拉伸載荷曲線與仿真載荷曲線誤差在5%以內，即確定為標定收斂準則，則認為此時的塑性應變真應力曲線為符合CAE模擬仿真要求的數據。

4 高速拉伸曲線準確性驗證方法研究

在汽車碰撞過程中，材料往往承受多重載荷的復雜作用，而動態拉伸測試是一維的試驗，只能夠提供材料基本的力學信息。所以基于此，有必要通過一定的系統裝置將動態拉伸獲取的試驗數據進行驗證，以確保經過處理數據應用于整車碰撞模擬時的準確性。

4.1 動態落錘撕裂試驗驗證

動態落錘撕裂試驗（DYNATUP沖擊）是將由沖擊頭和砝碼負荷組成的沖擊裝置（TUP）升至適當的高度釋放，并以指定沖擊速度沖擊試驗樣品（如鋼板）的過程。

動態落錘撕裂試驗系統的裝置原理簡單，適用范圍廣，任何規格的與試驗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。并且系統的控制精度較好，通過智能控制系統能夠保證錘頭接觸樣品時的速度是試驗目標速度，較好保證試驗質量。

4.2 動態壓潰試驗系統

軸向壓潰試驗可由臺車碰撞系統、落錘試驗機和中高速材料壓縮試驗機等設備實現。

試驗中試樣是沖壓板材成形或者彎折U形，并經過焊接得到薄壁梁結構。試樣固定于剛性墻之上，臺車通過緩沖吸能裝置與剛性墻發生碰撞。此種驗證系統不僅能夠較好契合實車碰撞試驗，而且試樣設計為典型的汽車縱梁形式，能夠更加準確的測量材料性能數據。目前這種方法已獲得眾多檢測機構和整車企業認可，在材料動態性能驗證方面發揮重要作用。

5 高速拉伸曲線數據庫

高速拉伸曲線數據庫不僅能夠將驗證后的曲線數據存儲于其中，并為CAE工程師提供高速拉伸曲線數據查看、數據對比、數據導出等功能。

高速拉伸曲線數據庫不僅存儲材料動態拉伸的原始曲線和處理后曲線數據，同時能夠提供檢測標準、檢測設備、試件狀態等檢測條件以及楊氏模量、泊松比、屈服強度、抗拉強度等力學參數查看。數據庫中支持CAE工程師下載材料的檢測報告和曲線驗證報告，并能夠根據使用的軟件，如LS-DYNA或PAM-CRASH，下載材料卡片應用于CAE模擬仿真，便于工程師模擬仿真中材料性能的查找。

6 結論

隨著消費者對汽車產品質量的關注度大幅提升，國家對汽車產品的監管力度逐步加大，企業只有通過不斷技術創新，提高產品安全質量才能贏得更多信賴。高速拉伸曲線數據從測試、處理到使用，每個環節都需要更為精準的方式方法保證數據的質量，從保證CAE模擬仿真的準確。

本文基于行業面臨普遍問題，從CAE仿真需求出發，建立動態拉伸曲線檢測、處理、驗證、存儲和導出的完善體系。一方面，解決整車企業面臨的面向CAE 模擬仿真的高應變速率拉伸曲線的問題；另一方面，為促進汽車行業達成統一高速拉伸數據應用規范打下基礎，有利于行業良性互動合作，促進國內汽車行業共同進步。

參考文獻：

[1] 姚貴升. 車身用鋼板的抗碰撞性能[J]. 汽車工藝與材料，2006（8）：15-19.

[2] 董善舉，張義和. 汽車零件用高強度鋼板的高應變變形[J]. 汽車工藝與材料，2010（9）：53-58.

[3] 陳俊嶺，李哲旭，舒文雅，等. 不同應變率下 Q345鋼材力學性能試驗研究[J]. 東南大學學報（自然科學版），2015（6）：1145-1150.