国内汽车行业高应变速率拉伸曲线现状及应对策略研究

何绍清+徐树杰+贾彦敏+侯猛

摘 要：高应变速率拉伸曲线是碰撞模拟仿真的关键数据输入，直接影响到模拟仿真结果的准确性，国内开展高应变速率拉伸曲线的研究及应用起步较晚，存在着对比性一致性差、数据积累不足等问题。通过联合行业构建行业平台，成立规范制定、曲线检测、数据体系构建的共性技术研究机制，是解决这一问题的有效途径。

关键词：碰撞模拟仿真；高应变速率拉伸曲线；行业现状；应对策略

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.269

模拟仿真技术广泛应用于汽车设计研发以来，为汽车行业带来巨大的变化，在缩短研发周期、降低研发成本的同时，提高了汽车的产品质量与安全性。近些年来，得益于计算机技术的不断进步，CAE技术应用的广度及深度也在不断加强，从开始的验证设计逐渐过渡到引导设计。例如，上世纪90年代，某整车企业引入模拟仿真技术以后，研发周期缩短了一半、样车数量减少到三分之一。

汽车碰撞模拟仿真技术是汽车模拟仿真设计中十分重要的领域，精确的碰撞模拟仿真技术对于汽车企业设计研发十分重要。第一，被动安全性能是消费者十分关注的、整车厂十分在意的汽车性能，并且随着消费者对汽车安全水平的要求不断提高及C-NCAP标准的进一步加严，模拟仿真部门将面临更大的压力。第二，国家油耗及排放法规逐步收紧，到2020年，汽车企业平均燃油消耗量要达到5L/100Km[1]，比国五严格30%的国六排放法规也要在2016年底完成，而轻量化是解决能耗并同时提高汽车操控性能的有效途径[2]。目前，国内汽车企业普遍存在“过设计”问题，如果通过精确的设计来消除“过设计”并不至于“欠设计”，是汽车设计师重点关注的问题。第三，CAD技术与CAE技术融合，模拟仿真驱动整车设计是未来汽车设计与模拟仿真的趋势，而实现这一目标的前提是提高模拟仿真的精确度和置信度。通过以上分析，进一步提高碰撞模拟仿真精确度迫在眉睫。

碰撞模拟仿真技术主要涉及到几何、网格、约束、载荷、单元、物理参数等六大要素，前五大要素经过不断的技术进步已经基本解决，而材料物理参数尤其是其中的高应变速率拉伸曲线的数据获取及精确度成为制约汽车碰撞模拟仿真技术的瓶颈，成为“木桶效应”的那根短板。因此，获取高精确度的、系统的高应变速率拉伸曲线成为进一步提高汽车碰撞模拟仿真置信度的关键。

鉴于以上几点，我国汽车行要建立一种高应变速率拉伸曲线的获取机制与验证机制。

1 国内汽车行业高应变速率拉伸曲线调研结果

为调研国内汽车行业高应变速率拉伸曲线情况及行业现状，我们对国内整车企业发放40份调研问卷，收回有效调研问卷20份，自主品牌15份，合资品牌5份。调研结果分析如下：高应变速率拉伸曲线的重要性得到整车企业一致认可，其中89%的整车企业认为非常重要，11%的整车企业认为一般重要。整车企业高应变速率拉伸曲线的来源主要有两个主要来源，一方面来自于整车企业检测，另一途径为材料供应商提供。

调研问卷中还对整车企业普遍反映的高应变速率拉伸曲线在使用中存在的问题进行了征集。整车企业一线工程师普遍反映的问题有数据一致性和对比性差，数据积累不足，测试费用昂贵、周期长。借助于行业问卷调研和实地走访，高应变速率拉伸曲线检测规范及数据处理规范缺失是导致数据对比性及一致性差的主要原因。鉴于此，针对规范和数据体系建立的必要性进行了调研，44%的专业工程师认为该工作非常迫切，还有50%的的工程师认为该项工作有必要但是不迫切，基于以上分析，可以得出解决高应变速率拉伸曲线问题已经刻不容缓。

2 整车企业高应变速率拉伸曲线存在的问题

针对汽车企业汽车碰撞模拟仿真部门所存在的问题，笔者通过走访企业一线工程师，并结合调研结果，列出关于高应变速率拉伸曲线现阶段所存在的问题。

2.1 行业内缺乏统一规范，数据对比性及一致性差

由于材料高应变速率曲线的测试涉及到材料的动态力学性能，以及高速下信号的采集与叠加，信号采集及分离难度大，材料高应变速率下的测试多采用霍普金森杆的方法进行测量[3]。而汽车碰撞仿真常用的中速率高应变速率曲线使用该方法不能很好的测试，行业内普遍采用液压伺服的方法进行测试。目前国内整车企业采用的高应变速率拉伸曲线测试方法众多，并且同一测试标准的情况下，国内检测机构在样件、应力、应变采集的方法上差异也较大。如下表所示，高应变速率拉伸曲线常使用规范及标准众多，不统一测试方法导致数据的对比性及一致性差。

高应变速率拉伸曲线的数据处理主要包含曲线的平滑、工程应力应变/真实应力应变的转换、曲线外延、试验验证及修正，国内汽车行业高应变速率曲线数据处理缺乏统一的规范，各个企业数据处理方法均不相同，甚至同一企业数据处理方法也不相同。这也是导致数据对比性和一致性差的很重要的原因。

2.2 车用材料性能数据积累不足，面向CAE的完善材料数据体系尚未建立

国内汽车企业高应变速率拉伸曲线数据来源主要分为三个方面，主要为自行检测、CAE软件自带、材料企业提供。

（1）汽车企业自行检测。由于整车涉及到的材料广泛，检测参数多、规格多，并且每个牌号曲线检测费用昂贵，所以整车企业自行检测的数据量不多。

（2）材料企业提供。材料企业一般情况下多为材料工程师，在有限元分析及整车构造方面欠缺，再加上高应变速率拉伸曲线检测涉及技术众多，因此材料企业提供的曲线普遍存在数据质量不高、原始曲线无法得到有效处理、曲线有效性难以得到保证等问题。

（3）CAE软件自带。部分CAE软件会附带一些常用材料牌号的典型曲线，但是该部分牌号多为国外牌号并且数量不多。

综合以上三点，国内大部分整车企业数据不系统且来源混乱，导致CAE模拟法仿真结果置信度难以得到保证。

2.3 共性车用材料高级曲线测试与处理增加行业整体检测与时间成本endprint

国内整车企业使用的车身机构材料相对比较集中，尤其是整车白车身，所使用的钢铁牌号相对比较集中，牌号重合度比较高。国内整车企业众多，并且都需要对高应变速率拉伸曲线进行检测、处理、验证，重复性的检测、处理与验证严重浪费行业整体检测与时间成本，所以必须要有一种机制来组织行业进行高速拉伸曲线的检测、处理、验证及数据体系构建。

3 应对策略研究

国外整车企业在高应变率拉伸曲线方面的成功经验值得我们借鉴，经过调研，发现国外存在很多专业检测机构，检测机构具备材料学、力学、有限元分析、汽车工程领域的专家，并且在曲线检测、数据处理、仿真对标、CAE应用方面都具备专业的素养，并且经过检测处理以后的数据生成针对于模拟仿真软件的材料卡片，汽车企业统一对材料卡片进行管理与使用。因此，检测的数据也具备较高的对比性和数据一致性。

但是，这种模式需要汽车企业有比较大的检测投入，这对于我国汽车行业来说困难较大，因此需要组织包括整车企业、材料企业、检测机构、CAE公司在内的汽车行业成立高应变速率拉伸曲线的联合体，开展高应变速率拉伸曲线的检测及数据体系搭建工作。主要需要开展以下工作：

（1）制定行业内适用的高应变速率拉伸曲线的检测规范及数据处理规范；

（2）集合行业开展通用高应变速率拉伸曲线的检测及数据处理工作；

（3）构建行业内共享的高应变速率拉伸曲线的数据库及数据体系；

（4）形成一种高应变速率拉伸曲线的检测、处理、应用的交流机制。

4 结束语

2015年上半年，全国汽车产销分别为1209.7万辆和1185.5万辆，同比分别增长2.6%和1.4%，相比于2014年的7.3%和6.9%，出现大幅度的下挫，中国汽车行业进入以微增长为主的新常态。中国汽车行业面临的竞争压力加大，提升技术实力、缩短与外资品牌的技术差距是占据竞争制高点的关键。

然而，技术实力提升、核心技术的掌握需要持续的、大量的研发投入及长时间的技术积累。中国汽车行业近十年来取得了巨大的技术进步，不断缩小与国外企业的技术差距，但是，在研发投入上，尤其是基础技术投入上，我们与国外大型整车企业相比还有很大的差距。行业共性基础技术研究十分重要，但投入大、见效时间长，企业单独开展该项工作会给企业带来很大的压力，并且重复性研究浪费行业资源。

因此，为响应“中国制造2025”关于基础能力建设的要求，联合行业开展针对高应变速率拉伸曲线的检测及数据体系构建主要有两个方面的意义：一方面解决困扰整车企业的面向CAE模拟仿真的高应变速率拉伸曲线的问题；另一方面，建立一种行业内共性技术研究及解决机制，为行业内共性技术开展更深层次的合作探路。

参考文献：

[1]《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》[S].

[2]马鸣图，易洪亮等.论汽车轻量化[J].中国工程科学，2009（05）.

[3]冯美斌.国外汽车轻量化材料试验数据最新发展动态[J].材料应用，2013（01）.endprint