汽車動力總成懸置的碰撞失效模擬研究?

吳長鵬，謝 斌，潘 鋒，羅 昆，張坤倫，張思彭

(1.東風日產乘用車技術中心，廣州 510800； 2.廈門理工學院機械與汽車工程學院，廈門 361024；3.上海迅仿工程技術有限公司，上海 201821)

前言

汽車正面碰撞中動力總成懸置對縱梁的變形模式和車身加速度有著重要影響,碰撞安全性能開發普遍要求懸置支架在碰撞過程中能發生斷裂失效以降低動力總成對車身的沖擊。盡管現階段CAE仿真被大范圍應用于汽車碰撞模擬與安全開發中,但發動機懸置總成在碰撞過程的斷裂失效模擬長期以來仍然是制約整車碰撞仿真精度的重要因素[1-2]。現階段普遍通過碰撞試驗獲得的懸置失效時刻來標定碰撞CAE模型,但此方法不具備碰撞試驗前對懸置失效的正向預測能力[3]。

目前常用韌性斷裂失效準則包括Johnson-Cook損傷模型、修正的Mohr-Coulom(MMC)損傷模型和CrachFEM失效模型等[4]。前兩個損傷模型主要適用于以殼單元模擬的金屬材料,CrachFEM失效準則用于實體單元的應力狀態表征與失效判據[5]。本文將采用CrachFEM斷裂失效準則,進行系統化材料力學性能試驗,建立帶有失效準則的鑄鋁懸置支架材料卡片,利用懸置支架部件級落錘沖擊試驗與仿真對標,提出鑄鋁懸置總成的建模方法,實現碰撞工況下懸置支架的斷裂失效模擬。通過某車型的正面碰撞仿真與試驗對比,表明懸置失效模擬方法的準確性,為汽車碰撞安全開發提供扎實的技術支撐。

1 CrachFEM韌性失效準則

CrachFEM韌性失效準則將引起材料失效的形式分為韌性法向失效、韌性剪切失效和金屬材料受拉發生頸縮引起的失效[6]。頸縮失效主要面向鈑金件,對于鑄鋁懸置主要以法向和剪切失效為主。平面應力狀態下,應力三軸度η可唯一描述單元應力狀態,即

式中：p為靜水壓力；σM為Mises等效應力。但在三維問題中應力三軸度不再唯一描述單元應力狀態。因此引入變量主應力比v＝σ1/σM,結合應力三軸度提出了一個全新的三維應力狀態表征參數β,即

式中snf為材料相關的參數。基于全新表征參數β,韌性法向失效準則為

式中d和q為參數,須通過材料試驗結果擬合求得。

同理,剪切失效準則引入剪切應力與Mises應力比,結合應力三軸度提出了三維應力表征參數θ,即

式中ksf為材料相關的參數。其剪切失效準則可以表述為

式中：θ+和θ-為雙軸拉伸和壓縮的應力狀態,相應的ε+sf和為雙軸拉伸和壓縮的失效應變。可通過雙軸穿孔試驗獲得,其它參數如,j,ksf則需要基于材料試驗結果擬合獲得。

針對懸置鑄鋁材料將以實體單元模擬為主,將開展系統化材料力學試驗獲得韌性法向和剪切失效準則的參數,準確模擬材料失效特性。

2 鑄鋁材料卡片的建立

2.1 系統化材料力學試驗

對于鑄鋁懸置而言,高壓鑄造工藝對其結構力學性能影響至關重要。為能準確表征實際鑄鋁懸置的力學性能,采用水切割工藝從實際零件支架中切取試驗樣件,如圖1(a)所示。經過大量截面結果統計,橫截面積超過10mm2的高壓鑄鋁材料內部容易出現縮孔,直接影響其材料力學性能。本文中也從其它區域進行樣件切割來兼顧高壓鑄造工藝對鑄鋁懸置性能的影響,如圖1(b)所示。

圖1 材料試驗樣件切割位置

鑄鋁材料塑性硬化行為的應變率效應不明顯,但斷裂失效應變有很強的應變率相關性。選擇準靜態0.001/s和動態100/s兩種應變率開展鑄鋁材料的失效特性研究。為擬合法向失效準則和剪切失效準則的參數,最佳的試驗矩陣推薦如表1所示。所有試驗的樣件尺寸都經過準確設計以表征相應的應力三軸度和主應力比(或剪應力比)。通過測量試驗后樣件在斷口區域的厚度和減薄率來計算該應力狀態的失效應變值。表1中的失效應變為3次重復性試驗的平均值。圖2為試驗后的樣件圖片。

表1 鑄鋁材料系統化力學試驗矩陣

圖2 高壓鑄鋁AL-HPDC系統化材料力學試驗

2.2 高壓鑄鋁材料失效卡片的建立

鑄鋁材料的仿真卡片開發主要包括彈塑性模型和失效模型,其中彈塑性模型主要為塑性硬化準則和屈服軌跡。圖3為鑄鋁材料準靜態單軸拉伸和壓縮試驗得到的塑性應變-真應力曲線,由于鑄鋁材料非常脆,單軸拉伸在應變為0.01就發生斷裂,不適用于塑性硬化曲線的外推。面內壓縮試驗可以獲得有效塑性段在0.5范圍的應力應變曲線,可以結合單軸拉伸和壓縮曲線對鑄鋁材料進行塑性硬化準則的擬合。

通常鑄鋁材料存在明顯的拉壓不對稱性,即壓縮強度高于拉伸強度。通過擬合計算圖3拉伸和壓縮曲線得到拉伸強度為壓縮強度的0.855倍,將壓縮曲線縮放0.855倍并結合拉伸曲線開展鑄鋁材料的塑性硬化行為擬合與外推,常用硬化準則有Swift準則、Hocket-Sherby準則和Ghosh準則[7]。通過擬合表明,Ghosh準則與縮放后的壓縮強度曲線最為匹配,如圖4所示。

圖3 塑性真應變-真應力曲線

由于鑄鋁材料的拉壓不對稱性,碰撞仿真中不能使用各向同性Mises準則描述材料屈服軌跡,須對屈服面做相應修正。圖5為修正后的屈服軌跡示意圖,主要修正的是拉伸和壓縮的不對稱性行為,從而體現壓縮強度大于拉伸強度的現象。

圖4 鑄鋁塑性硬化曲線

圖5 修正后的鑄鋁屈服軌跡

利用表1中7種應力狀態下的失效應變值,結合CrachFEM韌性失效準則,開展法向斷裂和剪切失效準則的參數擬合。失效面實際為一個三維曲面,其在平面應力狀態下顯示的剪切和法向失效曲線如圖6所示。鑄鋁的斷裂失效有較為敏感的應變率效應,碰撞仿真中須兼顧其應變率影響,以確保仿真精度的可靠性。

圖6 平面應力狀態下的失效曲線

為驗證材料卡片的準確性,開展了部分斷裂失效試驗的仿真。通過失效應變和力-位移曲線評估卡片可靠性,主要開展直角開槽樣件拉伸、圓孔樣條三點彎曲和穿孔試驗的準靜態仿真。表2給出了3種試驗的3次重復性試驗獲得的失效應變值和仿真失效應變值對比,可見仿真失效應變落在試驗區間內。圖7為3種試驗仿真的力-位移曲線對比,可見曲線吻合良好。直角開槽、圓孔樣條和穿孔的仿真與試驗曲線的相關度分別達到98%,94%和91%,因此鑄鋁材料卡片是準確有效的。

表2 試驗與仿真的失效應變對比

圖7 3種斷裂試驗與仿真的力-位移曲線

2.3 鑄鋁懸置的動態沖擊仿真對標

由于鑄鋁材料的斷裂失效與應變率密切相關,因此開展落錘沖擊試驗來驗證動態沖擊下的鑄鋁失效模擬的準確性。圖8為鑄鋁懸置支架的落錘沖擊試驗過程圖。落錘質量為54kg,從0.75m的高度自由下落撞擊懸置支架頂部,鑄鋁懸置在螺栓安裝孔周圍發生撕裂。

圖8 落錘試驗過程

落錘沖擊的有限元模型如圖9(a)所示。為準確描述鑄鋁裂紋的產生,使用的單元網格尺寸為4mm,采用2階10節點四面體單元進行網格劃分,結構在厚度方向至少均勻分布兩層網格,以有效預測結構在彎折變形下的應力狀態。螺栓孔盡量細化,使螺栓與鑄鋁結構接觸力合理分配。懸置總成中的橡膠、襯套和澆注螺栓等過渡區域均采用共節點建模,以確保模型計算的穩定性和收斂。安裝螺栓采用焊點BEAM單元和包殼單元模擬,通過?INITIAL_AXIAL_FORCE對BEAM單元施加螺栓預緊力[8],使模型更逼近實際情況,如圖9(b)所示。

圖9 落錘沖擊有限元懸置支架模型

圖10 為懸置支架動態沖擊試驗和仿真的失效對比。由圖可見,裂紋產生區域與試驗完全吻合,且整個鑄鋁斷裂失效路徑與試驗一致性良好。圖11為沖擊力響應對比。由圖可知,碰撞力曲線的吻合較好,仿真可準確模擬鑄鋁的碰撞失效過程。基于CrachFEM失效準則開發的材料卡片可有效預測材料在沖擊載荷作用下的破裂行為。

圖10 懸置支架落錘沖擊試驗與仿真失效對比

圖11 懸置支架動態沖擊力響應對比

3 整車碰撞仿真

將詳細建模的懸置總成集成至整車碰撞模型中,包括詳細網格建模和帶有失效的鑄鋁材料卡片等,開展100%重疊剛性壁障正面碰撞仿真分析。圖12為整車正面碰撞中鑄鋁懸置在26-29ms的時序圖。26ms時懸置襯套上部產生裂紋,27ms時刻前端區域發生斷裂,29ms時刻鑄鋁懸置支架在襯套區域整體發生斷裂,變速器殼體與前縱梁發生脫離,與整車碰撞試驗傳感器獲得的27ms懸置斷裂時刻基本一致,且懸置斷裂失效位置與試驗完全相同。

圖12 鑄鋁懸置斷裂失效時序圖

圖13 為全寬正面碰撞下前縱梁的變形圖。縱梁在根部發生彎折及上抬變形,與試驗中縱梁的變形模式完全一致。通過預測懸置失效可準確模擬變速器總成對懸置總成及前縱梁的沖擊,使縱梁變形模式更加貼合實際情況,這是目前采用失效時刻定義懸置總成與縱梁脫離的模擬方法無法實現的。

圖13 前縱梁變形模式對比

圖14 為車身B柱底部試驗與仿真的加速度曲線,在準確模擬出懸置的斷裂失效和縱梁變形模式前提下,碰撞仿真中車體加速度波形與試驗吻合良好。整車碰撞案例進一步說明基于CrachFEM的材料失效模型可準確模擬懸置支架斷裂,有效提升正面碰撞的仿真精度。

為合理驗證懸置失效模擬方法的可靠性,共開展了兩套不同懸置總成(含左右縱梁懸置)下的兩款整車正面碰撞仿真,包括100%全寬正面碰撞(FFB)和40%正面偏置碰撞(ODB),結合試驗提取的懸置斷裂失效時刻來判斷合理性。表3和表4分別為車型A和車型B仿真與試驗的懸置斷裂時刻對比,總體誤差不超過3ms,且懸置模擬方法在兩個車型不同懸置總成的表現穩健,可為后續在車型開發的應用中提供可靠的仿真手段。

圖14 車體加速度波形對比

表4 某B級車懸置斷裂失效時刻對比 ms

4 結論

針對正面碰撞仿真中懸置斷裂失效模擬的難題,基于CrachFEM韌性失效準則,對懸置高壓鑄鋁材料開展系統化力學性能試驗基礎上,建立了帶有失效準則的鑄鋁材料卡片,通過動態落錘試驗與仿真對標驗證了高壓鑄鋁材料卡片的準確性和懸置建模方法的可靠性。通過整車碰撞仿真表明,Crach-FEM失效模型可準確模擬懸置總成在受到碰撞載荷工況下的斷裂失效行為,在懸置斷裂時刻和失效位置上與試驗保持良好的一致性。動力總成懸置碰撞失效模擬方法的應用對提高碰撞仿真精度和安全開發能力有積極指導作用,為碰撞性能開發提供可靠的仿真評估手段。