前保蒙皮塑料表征及在行人保護中的仿真應用

吳海龍，賴興華，楊海燕，申波，周大永，劉衛國，張紅燁

(1.清華大學蘇州汽車研究院(相城)，江蘇蘇州 215000；2.浙江吉利汽車研究院有限公司浙江省汽車安全控制技術重點實驗室，浙江杭州 311228；3.廣州機械科學研究院有限公司，廣東廣州 510700)

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前保蒙皮塑料表征及在行人保護中的仿真應用

吳海龍1，賴興華1，楊海燕2，申波2，周大永2，劉衛國2，張紅燁3

(1.清華大學蘇州汽車研究院(相城)，江蘇蘇州 215000；2.浙江吉利汽車研究院有限公司浙江省汽車安全控制技術重點實驗室，浙江杭州 311228；3.廣州機械科學研究院有限公司，廣東廣州 510700)

對保險杠塑料材料進行一系列的準靜態和動態加載試驗，獲得不同應力下的力學性能曲線。基于LS-DYNA顯示分析的方法，開發模擬塑料性能的187號材料模型，該模型屈服面是將拉伸、剪切、壓縮和雙向拉伸4個屈服試驗點采用最小二乘法擬合得出，更適用于表征塑料材料的力學性能。將所開發的187號材料模型模擬動態拉伸、剪切、壓縮和穿孔4項基本工況，并將仿真和試驗結果進行了對標。最后將該材料模型應用于系統級的行人保護腿部碰撞中，驗證了所開發材料模型的可靠性。

保險杠；塑料材料；性能表征；行人腿部碰撞

0 引言

自20世紀70年代起，汽車保險杠材料逐漸由塑料代替金屬，目前汽車保險杠材料主要采用EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer，三元乙丙橡膠)、改性PP (Polypropylene，聚丙烯)，具有質量輕、抗沖擊性優秀、成形制備容易等優點[1]。當今，數值模擬已成為汽車發展的基本開發工具，在汽車研發過程中，許多重要的設計決策尤其是碰撞模擬，都是基于仿真的結果，而有限元分析的可靠性取決于模型和材料的精準度。與簡單的材料如鋼和鋁等對比，由于塑料品種、結構的不同和更復雜的材料特性，表征塑料的材料力學性能模型獲取相對困難，尤其在低速碰撞和行人保護腿部碰撞模擬中，保險杠塑料材料曲線的準確性對結果的評價影響較大。因此，為了獲取可靠有效的塑料材料模型，對它的動態力學性能進行研究顯得尤為重要。

目前，針對塑料材料的動態力學行為的模擬已有大量的研究。G’SELL等[2]基于聚合物的靜態拉伸試驗提出一種真應力與有效塑性應變關系的本構模型，應變率對應力的影響即黏性項使用一種更簡單有效的冪率分布來擬合，但該方法不適用于動態載荷工況。PERONI等[3]提出一種對半結晶和非結晶聚合物適用的雙冪率分布本構模型，其中應變率對應力的影響使用Cowper-Symond模型來擬合。KOLLING等[4]在材料試驗的基礎上，基于有限元軟件LS-DYNA開發了用于模擬高分子材料力學行為的SAMP-1模型(Semi-Analytical Model for Polymers)，記為MAT_187材料。國內清華大學顧功堯等[5]使用不同的材料模型對塑料力學性能進行了表征并分析了其模擬結果，其中考慮應變率效應和不同應力狀態的187號材料卡在表征塑料材料力學特性方面更準確，但標定流程較為復雜。

文中選取某自主品牌汽車保險杠常用塑料件，進行了不同應變率、不同加載狀態的材料性能測試試驗，基于材料試驗及數據擬合的方法，在LS-DYNA環境下開發MAT_187塑料材料卡片，將材料卡應用在該自主名牌的行人保護仿真模型上，將仿真結果與試驗結果進行對標，驗證所得塑料材料卡片的有效性，為行人保護碰撞仿真精度的提高提供了依據。

1 MAT_187本構模型

在LS-DYNA材料手冊中[6]， MAT_187是用于聚合物的半解析材料模型，該材料模型提出一種新的屈服準則，即SAMP-1屈服準則，其屈服面是將拉伸、剪切、壓縮和雙向拉伸4個屈服試驗點采用最小二乘法擬合得出。若以f表示屈服函數，它是應力σ的函數，在應力空間中，它是一個超曲面,稱為屈服面。SAMP-1模型第一個特點是采用靜水壓力p和von Mises應力描述其屈服條件：

(1)

其中：σvm是von Mises應力，εeq,p是等效塑性應變，A0、A1、A2由3個獨立試驗的結果如拉伸、壓縮和剪切試驗計算得出。流動法則是指塑性應變增量隨應力增量變化的規律。塑性應變增量用屈服函數表達時為關聯流動，用塑性勢函數表達時為非關聯流動。

SAMP-1模型第二個特點是采用非關聯流動，構造塑性勢函數g：

(2)

(3)

圖1為SAMP-1模型通過載荷曲線應力的屈服面。

圖1 SAMP-1屈服準則

2 材料性能測試試驗

試驗材料采用某車型前保險杠材料，板料厚度為3.0 mm。試驗矩陣如表1所示，其中不同應變率的單向拉伸、靜態面內壓縮、靜態簡單剪切、靜態雙向拉伸4類試驗用于構建材料的彈塑性力學行為和斷裂準則。同時，為進一步驗證前述4種試驗所得結果及相應的有限元模型在表征材料力學性能的正確性，還進行了高速壓縮、高速簡單剪切和高速穿孔試驗用于模擬對標。所有試驗均在室溫下進行，為消除尺寸效應的影響，每組式樣選擇相同的尺寸，為保證試驗的準確性和可重復性，每組試驗均準備3個試樣。不同加載狀態試樣的尺寸不一樣，試樣尺寸見圖2所示。

表1塑料測試試驗矩陣

圖2 不同加載狀態的試樣尺寸

2.1 拉伸試驗

通過準靜態拉伸和動態拉伸試驗可以獲得材料的力學性能。準靜態單向拉伸在萬能試驗機上進行，加載速度0.001 /s，得到工程應力-應變曲線如圖3(a)所示。最終得到的真實應力-應變曲線是取3個拉伸試驗結果的平均值。在準靜態拉伸工況下，平均工程失效應變達到了1.54，呈現大變形狀態，說明該塑料材料具有良好的塑韌性。動態拉伸試驗在清華大學蘇州汽車研究院ZwickHTM5020高速拉伸試驗機上進行，加載速率應變率分別為20、100和400 /s，得到工程應力-應變曲線如圖3(b)—(d)所示。隨著應變率的增加，材料的屈服強度上升，而失效應變逐漸減小。通過計算得到0.001和400 /s時彈性模量分別為0.94和1.40 GPa，可以看出隨著應變率的提高，該材料的彈性模量也在增大。同時對比圖4所示的不同應變率下拉伸斷口的宏觀形貌，可以發現準靜態下塑料試樣的斷口呈一定角度的傾斜，而動態拉伸下塑料試樣斷口比較平整，試樣的斷口和加載方向基本垂直，說明在動態拉伸下塑料材料主要是正斷，該性能與鋼鐵金屬材料性能正好相反。通過試驗還可以發現，由于該塑料材料在拉伸工況下，其體積是變化的，這與傳統金屬材料在塑性變形階段材料不可壓縮(即體積不變，泊松比為0.5)存在很大差別。

圖3 拉伸試驗工程應力-應變曲線

圖4 拉伸試驗樣件斷口宏觀現象

2.2 靜態壓縮、剪切及雙向拉伸試驗

通過靜態壓縮、剪切試驗求得靜態真塑性應變-真應力曲線中的參數，進而獲得可靠的材料壓縮本構關系。單向壓縮及剪切試驗的試樣尺寸參照圖2(b)和(c)所示，試驗在萬能試驗機上進行，加載速度均為0.001 /s，單向壓縮及剪切試驗曲線及樣件試驗后宏觀形貌分別見圖5(a)、(b)和圖6(a)、(b)。為了獲得更全面的應力狀態的力學特性，還進行準靜態的雙向拉伸試驗，試驗樣件尺寸見圖2(d)，試驗工程應力-應變曲線見圖5(c)、宏觀形貌見圖6(c)。

圖5 工程應力應變曲線

3 材料模型參數對標

將上述試驗所得的不同應變率下的單向拉伸塑性真實應力-應變曲線以及準靜態加載條件下的單向壓縮、剪切和雙向拉伸試驗塑性真實應力-應變曲線輸入至LS-DYNA中構造MAT_187，還可以輸入壓縮、剪切、雙向拉伸工況下的失效應變與拉伸失效應變的比例系數對負應力三軸度的曲線來定義不同應力狀態下失效準則，從而得到不同應力狀態下更準確的失效模擬。

為驗證所開發的塑料MAT_187材料卡在仿真計算中正確性，用開發的材料卡模擬20 /s單向拉伸、50 /s面內壓縮、50 /s簡單剪切和3 m/s高速穿孔4種基本類型試驗(高速穿孔試驗試樣尺寸參照圖2(e))，將模擬結果與試驗結果進行對比，如圖7所示。

圖7 被測塑料不同類型試驗模擬對標結果

可以看出：高速拉伸工況下，模擬結果在彈性段、塑形段和失效段均與試驗符合較好；高速壓縮工況下，模擬結果與試驗得到的力-位移曲線存在相同的形狀，能合理預測材料的失穩失效時刻，但載荷較試驗偏低，這可能因為MAT_187材料模型僅輸入了不同應變速率下拉伸應力應變曲線，并且認為不同狀態下的應變率效應是相同，因此在模擬高速壓縮工況時是以靜態壓縮力值曲線為基礎，按照拉伸工況下應變率效應進行放大，這可能與真實材料屬性存在差別。從圖7(c)可以看出：高速剪切模擬結果與試驗在載荷上升段和失效時刻均符合較好，但在試驗曲線峰值之后的載荷逐漸下降階段未能得到準確模擬，模擬得到曲線顯示載荷達到峰值后就快速降為0。從圖7(d)的高速穿孔模擬結果與試驗結果曲線看出：模擬結果載荷大小、失效時刻和失效方式均與試驗符合較好。從上面4個工況模擬對標可以得出：除壓縮工況外，該材料卡模擬結果與試驗結果均符合較好，考慮到行人腿部碰撞中，前保塑料蒙皮所承受主要是拉伸和彎曲變形，因此可以認為該材料卡對行人保護腿部碰撞來說是準確可靠的。

4 行人保護模型驗證

根據以上試驗得出的材料曲線，將塑料MAT_187材料卡應用在某自主品牌車型的行人保護模型上，碰撞位置為Y=0處；參照631/2009/EC歐盟第二階段行人保護法規，選用下腿型沖擊器進行試驗，沖擊器質量為13.4 kg，碰撞速度為40 km/h，撞擊點為保險杠中間Y=0位置，如圖8所示。根據圖8的仿真與試驗對比，可以看出在Y=0處，小腿型的運動姿態基本一致。

圖8 行人腿部碰撞仿真與試驗對比

表2列出試驗仿真腿部傷害值結果：由于傳統的塑料卡沒有考慮應變率效應及失效特性，采用傳統塑料卡的仿真模型計算結果與試驗結果誤差較大，而MAT_187材料的仿真模型計算結果與試驗吻合較好，但仿真計算時間是傳統塑料卡仿真模型計算時間的2倍。

表2 仿真與試驗傷害值結果對比表

5 結論

通過準靜態和動態試驗獲得了某車型前保蒙皮塑料不同應變率的拉伸、壓縮、剪切和靜態雙向拉伸、高速穿孔試驗的試驗數據，利用LS-DYNA顯示分析算法中的SAMP-1材料模型建立了該塑料材料MAT_187卡片。結果表明:所構建的MAT_187材料模型能夠較準確地表征該塑料的力學特性，顯著地提高了行人保護腿部碰撞的仿真精度。但MAT_187材料模型對應變率效應的描述僅來自于單向拉伸的應變率相關性，并假設其他應力狀態的應變率效應與單向拉伸一致，這可能是造成當前仿真結果和試驗存在差異的原因，有待進一步深入研究。

[1]周達飛.汽車用塑料：塑料在汽車中的應用[M].北京：化學工業出版社，2003.

[2]G’SELL C,JONAS J J.Determination of the Plastic Behaviour of Solid Polymers at Constant True Strain Rate[J].Journal of Materials Science,1979,14(3):583-591.

[3]PERONI M,PERONI L,AVALLE M.Advanced Experimental Investigation and Numerical Simulation of Polycarbonate Behavior at Different Strain-rate and Temperature[C]//DYMAT International Conferences.Torino,Italy,2009:1383-1389.

[4]KOLLING S,HAUFE A,FEUCHT M,et al.SAMP-1:A Semi-Analytical Model for the Simulation of Polymer[C]//4th German LS-DYNA Users Forum Proceeding,2005.

[5]顧功堯,汪凱,夏勇,等.車用輕量化材料力學性能試驗與有限元仿真[C]//2010中國汽車安全技術國際學術會議暨中國汽車工程學會第十三屆汽車安全技術年會論文集,2010.

[6]Livermore Software Technology Corporation.LS-DYNA Keyword User’s Manual：Version 971[M].

歐菲集團：針對國六標準研發濾清器新品

作為全球領先的過濾系統制造商，意大利歐菲集團旗下擁有歐菲和索菲瑪濾清器兩大品牌，以革新技術為汽車配套市場和售后市場提供清潔、環保的濾清器產品及服務。新近開發了滿足PM2.5過濾要求的車載空調濾清器并投入量產，同時推出適合國六標準的新材料空氣濾清器, 助力車企應對國六汽車排放標準。

歐菲集團自1996年進入中國，在上海青浦成立了上海索菲瑪汽車濾清器有限公司。為滿足中國濾清器市場不斷增長的需求，其后又在中國建立了三家新工廠，長春索菲瑪汽車濾清器有限公司、上海歐菲濾清器有限公司及上海索菲瑪工業過濾器有限公司。目前在華擁有1個研發中心，2 200多名員工，平均每天生產近154 000套濾清器，平均每月有近100個集裝箱運往歐洲、北美、日本和澳大利亞等海外市場。全球多家知名整車制造商在中國選擇了歐菲濾清器，包括大眾、通用、雷諾、尼桑、現代、福特、菲亞特克萊斯勒等。6/7的全球知名主要整車制造商選擇安裝歐菲濾清器。

面對新能源汽車的爆發式增長以及史上最嚴國六排放標準的出臺，歐菲集團堅持在挑戰中需求新的機遇，針對新能源電動車、混合動力車、燃料電池車設計并生產專業的過濾解決方案。歐菲集團研發出新一代空氣濾清器和水冷過濾器滿足電動車的過濾標準，空氣濾芯全壽命過濾效率達到99.9%以上。面對混合動力車發動機的需求，歐菲集團提供更加高效耐久的升級材料以滿足更長的保養里程和更換間隔，同時為燃料電池車設計出能吸收有害氣體的空氣濾清器和燃油冷卻器等產品。

歐菲集團亞太區首席運營官LUCA BIAGINI先生表示：“面對龐大的市場規模，歐菲集團始終堅持以技術優勢和產品創新在競爭對手林立的濾清器行業中脫穎而出，每年投入研發經費超過年銷售額的5%，我們在中國和歐洲各有一個研發中心，擁有114項國際專利，定制化濾材被廣泛應用于不同的領域，希望可以為中國濾清器市場注入新的技術與動力。”

意大利歐菲集團成立于1971年，旗下擁有歐菲和索菲瑪兩大品牌， 4 000多名員工分布在12個國家，4大洲，20多個分支辦公室。從20世紀80年代起歐菲集團就為競速運動提供濾清器，其中歐菲集團為F1法拉利車隊提供了近17年的濾清器產品。2016年每11家F1車隊中有9家車隊選擇安裝了歐菲濾清器。2016年歐菲集團銷售額達4.15億歐元，在14個制造基地生產了6 800萬只濾清器，2009—2016年銷售額保持12%復合增長。

(來源：俞慶華)

Characterization of Bumper Plastic Material and Simulation Application in Pedestrian Protection

WU Hailong1, LAI Xinghua1,YANG Haiyan2, SHEN Bo2, ZHOU Dayong2, LIU Weiguo2, ZHANG Hongye3

(1.Suzhou Automobile Research Institute (Xiangcheng), Tsinghua University, Suzhou Jiangsu 215000, China;2.Zhejiang Key Laboratory of Automobile Safety Technology,Geely Automobile Institute， Hangzhou Zhejiang 311228,China;3.Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510700,China)

A series of quasi-static and dynamic loading tests were conducted on the bumper plastic material, and the mechanics property curves under different stresses were obtained. Material model of No.187 was developed based on the explicit integration algorithm of the LS-DYNA, which model yield surface was fitted by four yield sites of tensile, shear, compression and the bidirectional tensile yield using least squares method, more applicable to characterize mechanical properties of plastic material. The developed No.187 model was applied to simulate the dynamic tensile, shear, compression and perforation four basic conditions and the simulation results were compared with the test results. At the end, this material model was applied to system level of pedestrian protection leg impact to verify the reliability of the developed material model.

Bumper; Plastic material;Characterization; Pedestrian leg impact

2017-06-06

江蘇省重點研發計劃-產業前瞻與共性關鍵技術(BE2015065)

吳海龍(1989—)，男，工程師,研究方向為汽車輕量化和碰撞安全。 E-mail:wuhailong@tsari.tsinghua.edu.cn。

賴興華， E-mail:laixinghua@tsari.tsinghua.edu.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.07.001

U465.2

A

1674-1986(2017)07-001-05