基于动态拉伸的车用金属材料CAE应用机制研究

王立新　贾彦敏　徐树杰　康医飞　张连桐

摘 要：高速拉伸曲线对于碰撞模拟仿真的准确度具有重要影响。相比于静态拉伸，高速拉伸试验具有测试方法复杂、后处理影响因素多、准确性难以保障等特点。构建面向全行业准确度高、系统全面的高速拉伸曲线数据体系具有重大的行业价值。本文对高速拉伸检测、数据后处理、数据准确性验证以及数据库开发等技术进行详细研究和阐述，建立一套完整的高速拉伸数据后处理流程，初步实现了高速拉伸准确检测到精确应用的数据体系构建方法。

关键词：车用材料；高速拉伸；后处理；数据验证

1 引言

安全、节能、环保是当今汽车发展的主题。汽车的安全性是评价汽车级别的重要指标之一，其直接体现在整车碰撞过程中吸收撞击能量和对乘员及行人保护能力上[1]。近年來模拟仿真技术已广泛应用于汽车设计和开发之中，在缩短研发周期、降低产品成本等方面产生积极作用。汽车碰撞过程中材料变形是高应变的动态过程，其应变速率分布在10-1～103/s之间[2]。车辆碰撞安全可靠性分析对材料在高应变速率条件下的塑性性能参数提出了评测需求。

现阶段，车用材料制备汽车结构件需要在前期设计中进行更多的模拟和试验，CAE动态分析是不可或缺的。而国内汽车行业车用材料动态拉伸面临着测试规范多而不统一、数据积累不足、数据后处理方法差异较大等问题，无法建立面向碰撞模拟仿真完整的数据体系，极大抑制国内汽车行业CAE仿真技术的进步。基于以上，本文以宝钢热成型钢为例，从车用材料动态检测出发，围绕数据后处理、准确性验证以及数据库构建，进行完整的材料动态拉伸数据应用机制的研究。

2 高速拉伸试验方法研究

2.1 高速测试应变率范围

基于汽车碰撞模拟仿真所需的材料高速拉伸应变率一般在10-3～103/s之间，当应变率低于10-1/s时，可采用准静态拉伸试验机检测；当应变率高于10-1/s时，准静态试验过程中使用的载荷传感器由于波的多次反射对载荷信号造成严重干扰，因此需采用特殊的载荷测定技术，一般通过液压伺服系统和弹性杆型系统解决。

2.2 车用材料高速拉伸试验

本文选取1.6mm厚的热成型钢板，以此为例阐述车用材料高速拉伸试验及方法。硼钢具有良好的热成型性能，模具淬火后钢板抗拉强度达到1400MPa以上，成型件具有高强度和轻量化等优点，适用于车门防撞梁，A、B、C柱等位置。

高速测试中材料的准静态和动态拉伸进行6个应变率（0.001/s、1/s、10/s、100/s、500/s、1000/s）的实验，实验设计参考国标GB/T228.1-2010和国际标准ISO 26203-2-2011（如图1所示）。鉴于高速拉伸试验机传感器测得信号波动较大，试验中采用试件弹性区粘贴应变片的方法测试拉力值[3]。

2.3 试验结果

试验过程中为保证试验重复性，每个应变率曲线进行3次试验，选取试验的中间曲线作为此应变率下的试验结果曲线。不同应变率下热成型钢工程应力应变曲线如图2所示，随着应变率的提升，材料的屈服强度和抗拉强度都发生较大的提升，表现出很强的应变率敏感特性，可以清晰看出应变率提高，材料抗拉强度和屈服强度明显增加。

3 高速拉伸曲线数据处理

3.1 试验数据处理原理

钢材的工程应力应变与真实应力应变转化关系如下所示。

εT=1n（1+ε） （1）

σT=σ*（1+ε） （2）

εplastic=εT·σT/E （3）

其中ε为工程应变，σ为工程应力，εplastic为塑性应变，E为弹性模量。

3.2 曲线拟合外推

转换后的塑性应变真应力曲线是通过积分方式获得，能够真实反映试样变形积累过程，但颈缩点后的数据偏离单轴拉伸应力状态，试验曲线是无效的。目前常用的处理方法是对颈缩后的数据进行剔除，并基于动态拉伸试验得到的载荷位移曲线，结合CAE仿真软件，将颈缩前的数据以多曲线法或经验公式法等方法进行修正。

经验公式修正法是基于材料经验本构模型，基于颈缩前的数据求解出本构模型中的参数，并将曲线外延至塑性应变为1。利用Swift-Hocketty-Sherby本构模型对同种材料的多个应变率曲线进行统一拟合外推能够较好的解决这一问题。

Swift-Hocketty-Sherby本构模型如下式：

σ=（1-α）{C（εpl+εD）m}+α[σsat（σsat-σi）

] （4）

式中：α为加权系数，C、m、p为拟合参数， 0<α<1，C>0，m>0，p>0

无论是多曲线法还是经验公式法外推，最后都要保证所有应变率曲线在同一坐标系下不发生交叉，处理结果如图3所示。

3.3 数据曲线标定

数据标定是以动态拉伸过程中获得的载荷位移曲线（或载荷时间曲线）为基准，建立动态拉伸的LS-DYNA模型（CAE模型图如图4所指示），将处理后的真应力应变数据输入CAE模型中，模拟材料动态拉伸过程，将模拟得到的载荷位移数据与试验得到的载荷数据进行对比。最终通过对处理后曲线数据进行调整，以保证拉伸载荷曲线与仿真载荷曲线误差在5%以内，即确定为标定收敛准则，则认为此时的塑性应变真应力曲线为符合CAE模拟仿真要求的数据。

4 高速拉伸曲线准确性验证方法研究

在汽车碰撞过程中，材料往往承受多重载荷的复杂作用，而动态拉伸测试是一维的试验，只能够提供材料基本的力学信息。所以基于此，有必要通过一定的系统装置将动态拉伸获取的试验数据进行验证，以确保经过处理数据应用于整车碰撞模拟时的准确性。

4.1 动态落锤撕裂试验验证

动态落锤撕裂试验（DYNATUP冲击）是将由冲击头和砝码负荷组成的冲击装置（TUP）升至适当的高度释放，并以指定冲击速度冲击试验样品（如钢板）的过程。

动态落锤撕裂试验系统的装置原理简单，适用范围广，任何规格的与试验仪器匹配的样品都适用，试样主要是矩形或者圆形板材样件。并且系统的控制精度较好，通过智能控制系统能够保证锤头接触样品时的速度是试验目标速度，较好保证试验质量。

4.2 动态压溃试验系统

轴向壓溃试验可由台车碰撞系统、落锤试验机和中高速材料压缩试验机等设备实现。

试验中试样是冲压板材成形或者弯折U形，并经过焊接得到薄壁梁结构。试样固定于刚性墙之上，台车通过缓冲吸能装置与刚性墙发生碰撞。此种验证系统不仅能够较好契合实车碰撞试验，而且试样设计为典型的汽车纵梁形式，能够更加准确的测量材料性能数据。目前这种方法已获得众多检测机构和整车企业认可，在材料动态性能验证方面发挥重要作用。

5 高速拉伸曲线数据库

高速拉伸曲线数据库不仅能够将验证后的曲线数据存储于其中，并为CAE工程师提供高速拉伸曲线数据查看、数据对比、数据导出等功能。

高速拉伸曲线数据库不仅存储材料动态拉伸的原始曲线和处理后曲线数据，同时能够提供检测标准、检测设备、试件状态等检测条件以及杨氏模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度等力学参数查看。数据库中支持CAE工程师下载材料的检测报告和曲线验证报告，并能够根据使用的软件，如LS-DYNA或PAM-CRASH，下载材料卡片应用于CAE模拟仿真，便于工程师模拟仿真中材料性能的查找。

6 结论

随着消费者对汽车产品质量的关注度大幅提升，国家对汽车产品的监管力度逐步加大，企业只有通过不断技术创新，提高产品安全质量才能赢得更多信赖。高速拉伸曲线数据从测试、处理到使用，每个环节都需要更为精准的方式方法保证数据的质量，从保证CAE模拟仿真的准确。

本文基于行业面临普遍问题，从CAE仿真需求出发，建立动态拉伸曲线检测、处理、验证、存储和导出的完善体系。一方面，解决整车企业面临的面向CAE 模拟仿真的高应变速率拉伸曲线的问题；另一方面，为促进汽车行业达成统一高速拉伸数据应用规范打下基础，有利于行业良性互动合作，促进国内汽车行业共同进步。

参考文献：

[1] 姚贵升. 车身用钢板的抗碰撞性能[J]. 汽车工艺与材料，2006（8）：15-19.

[2] 董善举，张义和. 汽车零件用高强度钢板的高应变变形[J]. 汽车工艺与材料，2010（9）：53-58.

[3] 陈俊岭，李哲旭，舒文雅，等. 不同应变率下 Q345钢材力学性能试验研究[J]. 东南大学学报（自然科学版），2015（6）：1145-1150.