不同應變率下6082鋁合金力學性能表征

王立新，徐樹杰，黃家奇，孫啟林，李凡

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不同應變率下6082鋁合金力學性能表征

王立新1，徐樹杰1，黃家奇2，孫啟林2，李凡2

（1.中國汽車技術研究中心，天津 300300；2.安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

基于汽車輕量化和碰撞安全的要求，對輕量化材料在高應變率下動態響應進行研究。選取6082鋁合金材料，分析其在不同應變率下的力學性能，選用合適硬化準則對數據進行擬合處理，標定LS-DYNA軟件中的MAT24材料模型，并選用鋁合金防撞梁進行落錘沖擊試驗，通過仿真與試驗對比判別數據的準確性。

鋁合金；高應變率；力學表征；仿真分析

1 引言

當前，基于輕量化汽車在燃油經濟性和排放方面的良好表現，企業紛紛將汽車輕量化列為節能減排的重要手段。汽車高強鋼、鋁合金、鎂合金方面逐步向著高韌或高強方向發展，如1800-2000MPa汽車鋼，700MPa、延伸率20%以上鋁合金。碳纖維向著低成本、高效率熱塑性成型工藝及其應用關鍵技術發展。國內輕量化技術經過十余年發展，在輕量化材料開發、結構和工藝方面取得較大進展，高強鋼在汽車應用比例不斷提高，鋁鎂合金逐步開始應用，部分以塑帶鋼技術已較為成熟。隨著汽車產品更新換代，越來越多的輕量化新技術被應用，鋁合金憑借其良好力學以及成型性能，研究及應用價值較大。

汽車輕量化設計的同時，還需保證其碰撞的安全性。汽車質量、幾何尺寸和剛度的不匹配是兩車相碰以及導致更大傷害的主要原因，據美國公路安全保險協會IIHS發布的重量對于安全性的影響的調查數據，無論是單車碰撞還是兩車相碰，1125kg-1575kg這個重量范圍的轎車其對乘員的保護力度是不如1575kg-1800kg這個重量范圍的轎車。汽車碰撞是一個瞬時動態過程，此過程中材料的形變是一個高應變率動態響應的過程，應變率可達500s-1甚至更高，其強度、塑性也會受應變率影響[1]。因此，表征輕量化材料的動態性能對于車身安全性能設計和材料選擇具有重要意義。

在整車輕量化設計過程中，常采用有限元仿真進行碰撞模擬，輕量化材料數據的準確性直接關系到有限元仿真精度，獲取真實準確的材料動態性能響應數據不僅包含準確的試驗數據，還需要選擇合適的本構關系對不同應變率下材料的頸縮段力學響應進行擬合外推，在此基礎上進行標定和仿真。為此國內外學者對輕量化材料的力學模型表征方法開展了大量的研究，Bridgman通過對頸縮后段的材料曲線進行修正進而表征材料的大變形行為，并提出著名的Bridgman公式[2]。Thompson選取三種材料分別進行了多種應變率下的動態試驗，基于Johnson-Cook（JC），Zerilli-Armstrong（ZA）模型進行了參數擬合與仿真探究[3]。K. Xu等利用修正的JC方程擬合了試驗數據，并和原JC方程的擬合結果進行了比較，減小了擬合誤差[4]。

本文選取汽車結構件中典型鋁合金材料進行動態拉伸測試，使用Swift-Hockett-Sherby（SHS）硬化準則對材料應力-應變曲線進行擬合外推，標定可用于CAE仿真的線彈塑性本構模型，建立LS-DYNA中的MAT24材料模型，并通過鋁合金防撞梁進行標定，驗證了模型的有效性。

2 試驗方法研究

2.1 試驗材料

試驗材料選取2.2mm 6082-T6，6082-T6鋁合金以較高的強度被廣泛應用于鋁合金防撞梁等關鍵部位。

本文試樣加工采用線切割方式，加工時試樣縱軸方向與鋼板軋制方向一致，試樣尺寸如圖1所示，試件按照準靜態（應變率10-3s-1~10-1s-1）和動態（應變率大于10-1s-1）分為兩類。

圖1 拉伸試樣尺寸

2.2 試驗設備及方法

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[5]。根據設備的測量原理，不同設備適用于不同的應變率，準靜態下拉伸測試采用萬能試驗機即可，而對于高應變率試驗有液壓伺服高速拉伸試驗機和霍普金森桿兩種設備，液壓伺服高速拉伸試驗機則多用于0.1~1000/s中低應變率的測試，而霍普金森拉桿基于一維應力波理論和一維假定及均勻性假定，霍普金森桿設備能準確測得材料的抗拉強度，但是無法精確獲取材料的真實變形，適合更高應變速率的試驗。常用于1000/s以上高應變速率的測試。因此，中低應變率動態拉伸試驗宜選用液壓伺服高速拉伸試驗機，能夠反映汽車碰撞下材料變形真實情況。

2.3 試驗結果

本次試驗準靜態拉伸試驗運用電子萬能試驗機，高應變率拉伸測試采用液壓伺服高速拉伸試驗機，為保證試驗的重復性，每個應變率進行3次試驗，通過對萬能試驗機采集的載荷數據、低應變率情況下高速拉伸試驗機記錄的載荷數據、高應變率動態應變儀記錄的電壓數據和高速攝像采集的圖像進行處理和計算，可獲得材料的工程應力-應變曲線，不同應變率下的6082的工程應力-應變曲線如圖2所示。

圖2 不同應變率下6082工程應力-應變曲線

對比不同應變率下材料力學性能，如下圖3所示，6082具有應變率效應不明顯，隨著應變率提高，材料的抗拉強度、屈服強度和斷后延伸率略有增加。

圖3 不同應變率下強度和延伸率對比

3 本構關系模型研究

3.1 模型選擇

試驗獲得的工程應力-應變曲線要用于CAE仿真分析，還需要將其轉換成真實應力-應變曲線，由于較高應變率下曲線存在振蕩，真實應力-應變曲線需要進行后處理，常用的做法是選用特定的硬化準則對材料的塑性硬化行為進行數據的擬合外推，不僅能夠很好地平滑曲線，也能保留材料的原有力學特性。金屬材料常用的本構模型有Cowper-Symonds和Johnson-Cook模型[6]，但是這兩種本構模型假設曲線的應變率效應和應變硬化效應是相互獨立的，對于應變硬化特征隨應變率的改變而改變的事實尚無法準確描述。所以需要采用其他硬化準則來解決這一問題，常用的硬化準則有Ludwik準則、Swift準則、Hollomon準則、Voce準則、Swift-Voce準則和Swift-Hockett/Sherby準則等。

根據不同硬化準則仿真獲得的力-位移曲線與試驗對比分析得出，Ludwik、Swift和Gosh整體塑性硬化狀態偏硬，Voce、Hollomon和Hockett/Sherby偏軟，尤其是Voce硬化準則幾乎沒有塑性硬化段；采用加權組合的Swift-Hocketty -Sherby(SHS)硬化準則可通過加權值方法匹配優化得到合理的載荷位移曲線，合理描述材料真實應力應變狀態。

SHS本構模型如下式1所示。

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

3.2 數據處理分析

基于SHS本構，使用MATLAB編程對數據進行統一處理，對多個應變率曲線統一擬合外推到塑性應變為1，擬合外推結果應保證所有應變率曲線不發生交叉，對加權系數進行反復迭代計算，處理結果如圖4所示。

圖4 不同應變率下6082擬合外推后的真實應力-塑性應變曲線

3.3 數據曲線標定

為驗證試驗數據和擬合獲取的真實應力-應變曲線的有效性，通過LS-DYNA軟件對試驗材料進行了有限元模擬仿真標定。考慮到材料模型對網格尺寸的敏感性，采用實體單元對試樣進行網格劃分，有限元模擬試樣尺寸與實際試件相同。

圖5 500/s高速拉伸工況仿真結果與試驗結果對比

將仿真獲得的工程應力-應變曲線和試驗結果進行比對完成對標，如圖5所示，500/s應變率的高速拉伸仿真結果與試驗結果吻合較好，從而驗證了試驗測試方法和數據處理方法的合理性及不同應變率曲線的準確性和可靠性。

4 材料模型驗證

為了進一步驗證材料模型的準確性，本文選用某車型鋁合金防撞梁（原材料為6082）進行落錘沖擊試驗，并將對標后的材料卡片輸入仿真模型，通過仿真結果與試驗結果對比驗證模型和數據準確性。

本文采用的落錘沖擊試驗裝置如圖6所示。為提高結果的準確，根據試件形狀制作專用夾具固定樣件。落錘質量為85kg，落錘接觸樣件初速度為6m/s。

圖6 落錘沖擊裝置

仿真模型網格劃分結果如圖8所示，鋁合金保險杠總成網格采用3mm殼單元，共計47417個單元，底部全約束。錘頭采用7mm左右的六面體實體單元，共8560個單元，錘頭與鋁合金防撞梁設置AUTOMATIC_SURFACE_TO_SUR FACE接觸方法。

圖7 落錘沖擊仿真模型

仿真輸出的載荷-時間曲線與試驗結果對比如圖8所示。結果顯示，仿真結果的第一峰值載荷、平臺載荷與試驗結果一致性非常好，所開發的6082鋁合金MAT24材料卡能準確模擬保險杠系統在碰撞工況下的力學響應。

圖8 防撞梁落錘試驗與仿真結果對比

5 結論

1）鋁合金6082應變率效應較鋼材不明顯，隨著應變率的提升，其屈服強度、抗拉強度、斷后延伸率也一定程度增加。

2）對比分析確定SHS本構模型，并對試驗數據進行擬合外推，獲得LS-DYNA中的MAT24材料模型，對標結果與試驗結果一致性好，證明了液壓伺服試驗測試方法和數據處理方法的合理性及不同應變率曲線的準確性和可靠性。

3）將防撞梁落錘沖擊與其仿真模型進行對標，模擬結果與試驗數據有較好的一致性，證明基于SHS本構標定的MAT24材料卡可以準確預測零部件在碰撞工況下的真實響應，工程應用價值高。

[1] 賴興華,尹斌.高應變率下高強鋼的塑性力學行為及本構模型[J]. 汽車安全與節能學報,2017, 08(2):157-163.

[2] Bridgman P W. Studies in Large Plastic Flow and Fracture[M]. Mc Graw-Hill,1952.

[3] Thompson A C. High Strain Rate Characterization of Advanced High Str -ength Steels[D].Waterloo,Ontario,Canada:University of Waterloo, 2006.

[4] Xu K, Wong C, Yan B, et al. A High Strain Rate Constitutive Model for High Strength Steels[J]. 2003.

[5] 陳川,孫成智,翁洋等.汽車用高強度雙相鋼動態拉伸性能試驗研究及仿真[J]. 現代制造工程,2016(8):101-105.

[6] 馬鳴圖,李潔,趙巖,等.汽車用金屬材料在高應變速率下響應特性的研究進展[J].機械工程材料,2017, 41(9):1-13.

Characterization of 6082 Aluminium Alloy at Different Strain Rate

Wang Lixin1, Xu Shujie1, Huang Jiaqi2, Sun Qilin2, Li Fan2

( 1.China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300; 2.Center of Technology, Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601）

This paper studies the dynamic response of lightweight material under high strain rates based on the requirement of vehicle lightweight and safety. Select typical aluminium alloy and analyze its mechanical properties under different strain rates. The high-speed tensile test data are fitted processing to calibrate MAT24 material model in LS-DYNA software. Finally, the accuracy of the calibrated material model is verified by the drop hammer impact test on aluminum alloy anticollision beam.

Aluminium alloy High strain rate; Mechanical characterization; Simulation analysis

TU512

A

1671-7988(2018)22-175-04

王立新，就職于中國汽車技術研究中心有限公司。碩士學位，汽車材料與輕量化工程師。

TU512

A

1671-7988(2018)22-175-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.063