沖壓工藝對鋼板力學性能的影響和仿真應用研究

鄭顥 歐陽俊 王玉超 劉彥梅 李偉 黃毅

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州510000）

1 前言

汽車碰撞過程是一個瞬時的動態過程，在典型的汽車正面碰撞測試中車身材料的應變率可達500/s甚至更高[1-2]。國內外許多學者都對常用車用材料的力學性能及其力學模型表征方法開展了大量的研究，主要關注原始板材的應變率效應和動態力學性能曲線的應用方法[3-6]。而從原始板材制備實際整車中的零部件的過程，材料經過了一系列的生產工藝，包括沖壓成形、焊接、涂裝、烘烤等，最終其性能往往與原始板材的力學特性有較大差異。范瑞麟[7]等研究了經沖壓工藝形成的加工硬化現象及其對碰撞變形吸能產生的影響。毛博文[8]等研究了預應變和應變速率對HC340LA鋼板力學性能的影響，并通過JC模型擬合試驗數據得到材料的動態本構關系，以應用于材料碰撞仿真數值計算。目前行業中原始鋼板的靜動態力學性能曲線積累較多，而零部件取樣后測試得到的高速曲線積累較少，而且制樣等工序也較復雜，關于如何通過原始板材的高速曲線和一些簡單試驗，結合數學方法得到反映零部件真實力學性能的方法還研究較少。因此研究原始板材和零部件的靜動態力學性能，并通過對比分析其性能差異，開發一種工程應用的數據處理方法，可以將原始板材的力學曲線優化修正得到近似零部件的靜動態力學性能，從而有效提高原始板材曲線的仿真對標精度。

針對汽車板材料GC420LA原始鋼板和縱梁內板(未經過烘烤)取樣進行高速拉伸試驗，研究其多種應變率水平的力學特性，對比分析原始板材和零部件裁切樣件后得出的試驗結果，綜合考慮零部件成形工藝和加工工藝，總結原始板材經零部件加工之后對自身力學特性產生的影響，確定原始板材力學特性曲線修正方法，最后進行材料級別和零部件級別的仿真對標分析，驗證了原始板材力學曲線修正方法的有效性。

2 板材性能測試和零部件落錘試驗

2.1 靜動態拉伸試驗

研究對象為GC420LA鋼板，與之對應的零部件為經冷沖壓工藝成形過后的縱梁內板和吸能盒，實物如圖1所示。縱梁內板和吸能盒的成形、涂裝、烘烤工藝相同，可以認為其性能接近。為了研究原始板材和零部件的力學性能的差異，分別切割試樣開展準靜態（應變率0.001/s）和5個應變率（1/s,10/s,50/s,100/s,500/s）的動態拉伸試驗。準靜態拉伸和動態拉伸的試件形狀和尺寸如圖2所示。

圖1 試驗對象原始板材、縱梁內板和吸能盒實物

圖2 準靜態、動態拉伸試樣尺寸

準靜態和動態拉伸試驗分別使用電子萬能試驗機和高速拉伸試驗機進行測試，動態拉伸試驗系統如圖3所示。100/s應變率以下試驗使用試驗機自帶的傳感器進行載荷測量，100/s和500/s應變率試驗采用在試樣表面粘貼應變片的方式進行載荷測量；所有應變率下的應變均采用非接觸方式測量。

圖3 Zwick動態拉伸試驗系統

2.2 零部件落錘試驗

為了研究零部件的吸能特性，并對零部件仿真結果進行對標分析，本項目同時開展了吸能盒落錘試驗。該試驗主要在落錘試驗臺上完成，初始沖擊速度8 m/s，錘頭質量161 kg；并使用加速度傳感器對加速度和載荷進行測量，使用高速攝像機拍攝試驗過程，采用非接觸方式獲取試驗過程中的實時壓縮位移。試驗裝置照片如圖4所示。

圖4 吸能盒落錘試驗裝置

3 試驗結果和分析

3.1 原始板材和零部件取樣力學性能

載荷除以試件初始橫截面積得到工程應力，非接觸測量可以獲得工程軸向應變。GC420LA原始板材和縱梁內板切割試驗工程應力應變曲線如圖5所示。從試驗曲線可以明顯看出，原始板材和縱梁內板試件的強度均隨著應變率的增加而增加，而斷裂失效應變同樣呈現變大的趨勢。進一步分析，提取曲線中關鍵參數屈服強度R p0.2、抗拉強度Rm、最大力總延伸率Agt和斷裂總延伸率At進行對標分析，如圖5c所示。從對比圖可見，原始板材經過冷沖壓成形、涂裝和烘烤工藝后，屈服強度和抗拉強度提高5%左右；而對應的塑性呈現降低趨勢。

圖5 板材和部件靜動態拉伸試驗結果

3.2 原始板材力學特性曲線修正

從上節對原始板材和縱梁內板零部件試驗結果的對比分析，可以發現原始板材經過成形、涂裝和烘烤工藝后的性能發生較大變化，主要體現在強度提高，塑性降低。在實際工程情況下，原始板材的靜動態力學性能曲線和零部件的靜態力學曲線較容易獲得，而零部件的動態曲線的積累較少，取樣也比較復雜。在整車碰撞仿真應用中通常需要基于現有的數據通過優化或修正的方法間接得到零部件的高速曲線，從而獲得與實際部件相接近的性能曲線。結合Johnson-Cook模型[9]，提出了一種對原始板材曲線優化修正的方法，以得到近似零部件的性能曲線。優化方法和基本流程如下。

已有原始板材的靜動態力學性能曲線，開展零部件的靜態拉伸試驗；

對比原始板材和零部件靜態拉伸試驗結果，確定頸縮點對應的工程應力和最大力總延伸率Agt；

基于對比結果，并結合原始板材的應變率變化，采用下列公式（1）和（2），對原始板材在不同應變率下的高速曲線分別進行優化修正，得到近似的零部件的高速力學曲線。

優化修正方法分為應變修正和應力修正，如公式（1）和（2）所示。

式中：σp為修正后的工程應力；εp為修正后的工程應變；σs為原始板材工程應力；εs為原始板材工程應變；Δε為制造過程中的塑性變形量，即原始板材曲線的應變平移量；Δσ為制造過程中的抗拉強度變化量，該增量的應變率效應由材料的工藝常數c表達；ε0為靜態應變率常數0.001，ε?為對應動態應變率常數1、10、50、100和500。

對GC420LA原始板材和縱梁內板的不同應變率測試結果進行分析，使用最小二乘法進行擬合分析得到公式（1）、（2）中的主要參數如表1所示。原始板材不同應變率下拉伸曲線修正后的工程應力應變曲線與縱梁內板拉伸性能曲線的屈服-抗拉段對比如圖6a所示，關鍵參數的對比如圖6b所示，可以看出，經原始板材修正后的曲線與縱梁內板切割后的試驗曲線具有較高吻合度，屈服強度和抗拉強度偏差均在±5%以內。

表1 GC420LA原始板材修正參數

圖6 原始板材修正后與縱梁內板拉伸曲線對比分析

4 材料拉伸曲線仿真應用分析

4.1 工程應力應變曲線外推

材料拉伸曲線的頸縮點之前均是均勻塑性變形階段，頸縮后就是失穩狀態。但是頸縮前的應變太小，均勻塑性變形階段曲線無法滿足仿真應用，通常需要對曲線進行擬合外推。首先采用公式（3）、（4）、（5）計算真實應變、真實應力和塑性應變，獲取真實應力-塑性應變曲線；再利用Swift-Hockett.Sherby本構[10]對真實應力-塑性應變曲線進行擬合外推；最終得到一系列靜動態高速拉伸真實應力-塑性應變曲線。圖7展示了采用Swift-Hockett.Sherby準則擬合得到的縱梁內板和原始板材曲線修正后的真實應力-塑性應變曲線，該系列曲線可直接應用到CAE軟件中進行仿真分析。

圖7 部件外推曲線和原始板材修正外推曲線

4.2 材料拉伸仿真對標分析

為驗證原始板材優化的曲線以及擬合獲取的真實應力-塑性應變曲線的有效性，首先需要進行材料級別的仿真對標分析。采用LS-DYNA軟件對試驗材料進行了有限元模擬仿真分析，選用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY模型描述材料的力學特性，該模型廣泛應用于整車碰撞仿真中模擬鋼板，需要輸入材料的密度、楊氏模量、泊松比和不同應變率下的真實應力-塑性應變曲線。仿真中的試件采用0.5 mm全積分殼單元對試樣進行網格劃分，如圖8所示，仿真輸出與試驗測量保持相同的工程應力應變等信息。

圖8 材料拉伸仿真模型

圖9對比了10/s和500/s兩個應變率下，通過原始板材曲線優化修正得到的仿真結果與零部件試驗結果。在屈服～抗拉段的仿真結果與試驗結果的一致性非常好。進一步提取5個動態應變率下仿真得到的工程應力應變曲線的關鍵參數屈服強度Rp0.2、抗拉強度Rm、最大力總延伸率Agt的對比分析，如表2所示。統計試驗與仿真曲線在屈服強度、抗拉強度和頸縮應變三個指標上的誤差百分比，屈服強度和抗拉強度在5個應變率工況下均有95%的對標精度，而頸縮應變在5個應變率工況下的綜合誤差均＜5%。證明本研究中提出的曲線修正方法應用滿足實際的材料級仿真對標要求，從而驗證了修正方法的合理性和準確性。

表2 原始板材曲線優化修正得到仿真結果與零部件試驗結果對比

圖9 原始板材曲線優化修正得到的10/s和500/s拉伸仿真與零部件試驗結果

4.3 零部件落錘試驗與仿真應用分析

完成了對原始板材優化的曲線以及擬合獲取的真實應力-塑性應變曲線的有效性材料級別的驗證后，進一步開展部件級別的仿真應用。如圖10（a）所示的吸能盒落錘仿真模型，吸能盒采用5 mm大小的全積分殼單元建模，焊縫采用Rigid剛性連接，其他輸入與落錘試驗一致。材料模型同樣選用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY，分別輸入縱梁內板試件和原始板材優化修正后真實應力-塑性應變曲線。輸出的載荷、能量-壓縮位移曲線如圖10（b）所示。選取仿真與試驗結果的最大壓縮、峰值載荷和吸收能量三個指標進行誤差分析，如表3所示。輸入縱梁內板曲線得到的仿真結果與試驗結果偏差＜5%，原始板材修正曲線的仿真結果與部件曲線試驗結果的一致性較好，除了峰值載荷偏差為9.63%，最大壓縮位移和最大吸能的偏差都＜5%。說明本研究中提出的針對原始板材曲線優化修正方法滿足實際的零部件級仿真對標要求，對部件沖擊試驗仿真的精度較高。

表3 吸能盒落錘試驗與仿真結果偏差分析

圖10 吸能盒落錘仿真模型和試驗與仿真結果對比

5 結束語

基于GC420LA原始板材和縱梁內板切割材料靜動態拉伸試驗結果，對比了6個應變率工況下的力學性能的差異，綜合考慮縱梁內板加工及成形工藝影響，提出了對原始板材曲線進行修正的方法，通過材料和零部件的試驗與仿真對標研究分析了原始板材修正曲線的精度，驗證了該修正方法的有效性。

a.GC420LA板材的應變率效應明顯，隨著加載速率的增大，其強度明顯增大，縱梁內板零部件經過生產加工工藝后其強度增大，而塑性降低；

b.對比分析了GC420LA原始板材和零部件拉伸曲線的差異，提出了一套優化修正方法，原始板材曲線經修正后與零部件曲線的結果非常接近，總體偏差小于5%；

c.將原始板材修正后的曲線進行擬合外推，并通過材料拉伸仿真對標驗證了有效性，其仿真與試驗結果的偏差小于5%，最后應用于吸能盒部件沖擊試驗與仿真對標，仿真得到的峰值載荷、最大壓縮位移和最大吸收能量與試驗結果的偏差均小于10%，驗證了本文提出的原始板材試驗曲線修正方法的合理性和有效性，該方法可以推廣使用。