前保蒙皮塑料表征及在行人保护中的仿真应用

吴海龙，赖兴华，杨海燕，申波，周大永，刘卫国，张红烨

(1.清华大学苏州汽车研究院(相城)，江苏苏州 215000；2.浙江吉利汽车研究院有限公司浙江省汽车安全控制技术重点实验室，浙江杭州 311228；3.广州机械科学研究院有限公司，广东广州 510700)



前保蒙皮塑料表征及在行人保护中的仿真应用

吴海龙1，赖兴华1，杨海燕2，申波2，周大永2，刘卫国2，张红烨3

(1.清华大学苏州汽车研究院(相城)，江苏苏州 215000；2.浙江吉利汽车研究院有限公司浙江省汽车安全控制技术重点实验室，浙江杭州 311228；3.广州机械科学研究院有限公司，广东广州 510700)

对保险杠塑料材料进行一系列的准静态和动态加载试验，获得不同应力下的力学性能曲线。基于LS-DYNA显示分析的方法，开发模拟塑料性能的187号材料模型，该模型屈服面是将拉伸、剪切、压缩和双向拉伸4个屈服试验点采用最小二乘法拟合得出，更适用于表征塑料材料的力学性能。将所开发的187号材料模型模拟动态拉伸、剪切、压缩和穿孔4项基本工况，并将仿真和试验结果进行了对标。最后将该材料模型应用于系统级的行人保护腿部碰撞中，验证了所开发材料模型的可靠性。

保险杠；塑料材料；性能表征；行人腿部碰撞

0 引言

自20世纪70年代起，汽车保险杠材料逐渐由塑料代替金属，目前汽车保险杠材料主要采用EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer，三元乙丙橡胶)、改性PP (Polypropylene，聚丙烯)，具有质量轻、抗冲击性优秀、成形制备容易等优点[1]。当今，数值模拟已成为汽车发展的基本开发工具，在汽车研发过程中，许多重要的设计决策尤其是碰撞模拟，都是基于仿真的结果，而有限元分析的可靠性取决于模型和材料的精准度。与简单的材料如钢和铝等对比，由于塑料品种、结构的不同和更复杂的材料特性，表征塑料的材料力学性能模型获取相对困难，尤其在低速碰撞和行人保护腿部碰撞模拟中，保险杠塑料材料曲线的准确性对结果的评价影响较大。因此，为了获取可靠有效的塑料材料模型，对它的动态力学性能进行研究显得尤为重要。

目前，针对塑料材料的动态力学行为的模拟已有大量的研究。G’SELL等[2]基于聚合物的静态拉伸试验提出一种真应力与有效塑性应变关系的本构模型，应变率对应力的影响即黏性项使用一种更简单有效的幂率分布来拟合，但该方法不适用于动态载荷工况。PERONI等[3]提出一种对半结晶和非结晶聚合物适用的双幂率分布本构模型，其中应变率对应力的影响使用Cowper-Symond模型来拟合。KOLLING等[4]在材料试验的基础上，基于有限元软件LS-DYNA开发了用于模拟高分子材料力学行为的SAMP-1模型(Semi-Analytical Model for Polymers)，记为MAT_187材料。国内清华大学顾功尧等[5]使用不同的材料模型对塑料力学性能进行了表征并分析了其模拟结果，其中考虑应变率效应和不同应力状态的187号材料卡在表征塑料材料力学特性方面更准确，但标定流程较为复杂。

文中选取某自主品牌汽车保险杠常用塑料件，进行了不同应变率、不同加载状态的材料性能测试试验，基于材料试验及数据拟合的方法，在LS-DYNA环境下开发MAT_187塑料材料卡片，将材料卡应用在该自主名牌的行人保护仿真模型上，将仿真结果与试验结果进行对标，验证所得塑料材料卡片的有效性，为行人保护碰撞仿真精度的提高提供了依据。

1 MAT_187本构模型

在LS-DYNA材料手册中[6]， MAT_187是用于聚合物的半解析材料模型，该材料模型提出一种新的屈服准则，即SAMP-1屈服准则，其屈服面是将拉伸、剪切、压缩和双向拉伸4个屈服试验点采用最小二乘法拟合得出。若以f表示屈服函数，它是应力σ的函数，在应力空间中，它是一个超曲面,称为屈服面。SAMP-1模型第一个特点是采用静水压力p和von Mises应力描述其屈服条件：

(1)

其中：σvm是von Mises应力，εeq,p是等效塑性应变，A0、A1、A2由3个独立试验的结果如拉伸、压缩和剪切试验计算得出。流动法则是指塑性应变增量随应力增量变化的规律。塑性应变增量用屈服函数表达时为关联流动，用塑性势函数表达时为非关联流动。

SAMP-1模型第二个特点是采用非关联流动，构造塑性势函数g：

(2)

(3)

图1为SAMP-1模型通过载荷曲线应力的屈服面。

图1 SAMP-1屈服准则

2 材料性能测试试验

试验材料采用某车型前保险杠材料，板料厚度为3.0 mm。试验矩阵如表1所示，其中不同应变率的单向拉伸、静态面内压缩、静态简单剪切、静态双向拉伸4类试验用于构建材料的弹塑性力学行为和断裂准则。同时，为进一步验证前述4种试验所得结果及相应的有限元模型在表征材料力学性能的正确性，还进行了高速压缩、高速简单剪切和高速穿孔试验用于模拟对标。所有试验均在室温下进行，为消除尺寸效应的影响，每组式样选择相同的尺寸，为保证试验的准确性和可重复性，每组试验均准备3个试样。不同加载状态试样的尺寸不一样，试样尺寸见图2所示。

表1塑料测试试验矩阵

图2 不同加载状态的试样尺寸

2.1 拉伸试验

通过准静态拉伸和动态拉伸试验可以获得材料的力学性能。准静态单向拉伸在万能试验机上进行，加载速度0.001 /s，得到工程应力-应变曲线如图3(a)所示。最终得到的真实应力-应变曲线是取3个拉伸试验结果的平均值。在准静态拉伸工况下，平均工程失效应变达到了1.54，呈现大变形状态，说明该塑料材料具有良好的塑韧性。动态拉伸试验在清华大学苏州汽车研究院ZwickHTM5020高速拉伸试验机上进行，加载速率应变率分别为20、100和400 /s，得到工程应力-应变曲线如图3(b)—(d)所示。随着应变率的增加，材料的屈服强度上升，而失效应变逐渐减小。通过计算得到0.001和400 /s时弹性模量分别为0.94和1.40 GPa，可以看出随着应变率的提高，该材料的弹性模量也在增大。同时对比图4所示的不同应变率下拉伸断口的宏观形貌，可以发现准静态下塑料试样的断口呈一定角度的倾斜，而动态拉伸下塑料试样断口比较平整，试样的断口和加载方向基本垂直，说明在动态拉伸下塑料材料主要是正断，该性能与钢铁金属材料性能正好相反。通过试验还可以发现，由于该塑料材料在拉伸工况下，其体积是变化的，这与传统金属材料在塑性变形阶段材料不可压缩(即体积不变，泊松比为0.5)存在很大差别。

图3 拉伸试验工程应力-应变曲线

图4 拉伸试验样件断口宏观现象

2.2 静态压缩、剪切及双向拉伸试验

通过静态压缩、剪切试验求得静态真塑性应变-真应力曲线中的参数，进而获得可靠的材料压缩本构关系。单向压缩及剪切试验的试样尺寸参照图2(b)和(c)所示，试验在万能试验机上进行，加载速度均为0.001 /s，单向压缩及剪切试验曲线及样件试验后宏观形貌分别见图5(a)、(b)和图6(a)、(b)。为了获得更全面的应力状态的力学特性，还进行准静态的双向拉伸试验，试验样件尺寸见图2(d)，试验工程应力-应变曲线见图5(c)、宏观形貌见图6(c)。

图5 工程应力应变曲线

3 材料模型参数对标

将上述试验所得的不同应变率下的单向拉伸塑性真实应力-应变曲线以及准静态加载条件下的单向压缩、剪切和双向拉伸试验塑性真实应力-应变曲线输入至LS-DYNA中构造MAT_187，还可以输入压缩、剪切、双向拉伸工况下的失效应变与拉伸失效应变的比例系数对负应力三轴度的曲线来定义不同应力状态下失效准则，从而得到不同应力状态下更准确的失效模拟。

为验证所开发的塑料MAT_187材料卡在仿真计算中正确性，用开发的材料卡模拟20 /s单向拉伸、50 /s面内压缩、50 /s简单剪切和3 m/s高速穿孔4种基本类型试验(高速穿孔试验试样尺寸参照图2(e))，将模拟结果与试验结果进行对比，如图7所示。

图7 被测塑料不同类型试验模拟对标结果

可以看出：高速拉伸工况下，模拟结果在弹性段、塑形段和失效段均与试验符合较好；高速压缩工况下，模拟结果与试验得到的力-位移曲线存在相同的形状，能合理预测材料的失稳失效时刻，但载荷较试验偏低，这可能因为MAT_187材料模型仅输入了不同应变速率下拉伸应力应变曲线，并且认为不同状态下的应变率效应是相同，因此在模拟高速压缩工况时是以静态压缩力值曲线为基础，按照拉伸工况下应变率效应进行放大，这可能与真实材料属性存在差别。从图7(c)可以看出：高速剪切模拟结果与试验在载荷上升段和失效时刻均符合较好，但在试验曲线峰值之后的载荷逐渐下降阶段未能得到准确模拟，模拟得到曲线显示载荷达到峰值后就快速降为0。从图7(d)的高速穿孔模拟结果与试验结果曲线看出：模拟结果载荷大小、失效时刻和失效方式均与试验符合较好。从上面4个工况模拟对标可以得出：除压缩工况外，该材料卡模拟结果与试验结果均符合较好，考虑到行人腿部碰撞中，前保塑料蒙皮所承受主要是拉伸和弯曲变形，因此可以认为该材料卡对行人保护腿部碰撞来说是准确可靠的。

4 行人保护模型验证

根据以上试验得出的材料曲线，将塑料MAT_187材料卡应用在某自主品牌车型的行人保护模型上，碰撞位置为Y=0处；参照631/2009/EC欧盟第二阶段行人保护法规，选用下腿型冲击器进行试验，冲击器质量为13.4 kg，碰撞速度为40 km/h，撞击点为保险杠中间Y=0位置，如图8所示。根据图8的仿真与试验对比，可以看出在Y=0处，小腿型的运动姿态基本一致。

图8 行人腿部碰撞仿真与试验对比

表2列出试验仿真腿部伤害值结果：由于传统的塑料卡没有考虑应变率效应及失效特性，采用传统塑料卡的仿真模型计算结果与试验结果误差较大，而MAT_187材料的仿真模型计算结果与试验吻合较好，但仿真计算时间是传统塑料卡仿真模型计算时间的2倍。

表2 仿真与试验伤害值结果对比表

5 结论

通过准静态和动态试验获得了某车型前保蒙皮塑料不同应变率的拉伸、压缩、剪切和静态双向拉伸、高速穿孔试验的试验数据，利用LS-DYNA显示分析算法中的SAMP-1材料模型建立了该塑料材料MAT_187卡片。结果表明:所构建的MAT_187材料模型能够较准确地表征该塑料的力学特性，显著地提高了行人保护腿部碰撞的仿真精度。但MAT_187材料模型对应变率效应的描述仅来自于单向拉伸的应变率相关性，并假设其他应力状态的应变率效应与单向拉伸一致，这可能是造成当前仿真结果和试验存在差异的原因，有待进一步深入研究。

[1]周达飞.汽车用塑料：塑料在汽车中的应用[M].北京：化学工业出版社，2003.

[2]G’SELL C,JONAS J J.Determination of the Plastic Behaviour of Solid Polymers at Constant True Strain Rate[J].Journal of Materials Science,1979,14(3):583-591.

[3]PERONI M,PERONI L,AVALLE M.Advanced Experimental Investigation and Numerical Simulation of Polycarbonate Behavior at Different Strain-rate and Temperature[C]//DYMAT International Conferences.Torino,Italy,2009:1383-1389.

[4]KOLLING S,HAUFE A,FEUCHT M,et al.SAMP-1:A Semi-Analytical Model for the Simulation of Polymer[C]//4th German LS-DYNA Users Forum Proceeding,2005.

[5]顾功尧,汪凯,夏勇,等.车用轻量化材料力学性能试验与有限元仿真[C]//2010中国汽车安全技术国际学术会议暨中国汽车工程学会第十三届汽车安全技术年会论文集,2010.

[6]Livermore Software Technology Corporation.LS-DYNA Keyword User’s Manual：Version 971[M].

欧菲集团：针对国六标准研发滤清器新品

作为全球领先的过滤系统制造商，意大利欧菲集团旗下拥有欧菲和索菲玛滤清器两大品牌，以革新技术为汽车配套市场和售后市场提供清洁、环保的滤清器产品及服务。新近开发了满足PM2.5过滤要求的车载空调滤清器并投入量产，同时推出适合国六标准的新材料空气滤清器, 助力车企应对国六汽车排放标准。

欧菲集团自1996年进入中国，在上海青浦成立了上海索菲玛汽车滤清器有限公司。为满足中国滤清器市场不断增长的需求，其后又在中国建立了三家新工厂，长春索菲玛汽车滤清器有限公司、上海欧菲滤清器有限公司及上海索菲玛工业过滤器有限公司。目前在华拥有1个研发中心，2 200多名员工，平均每天生产近154 000套滤清器，平均每月有近100个集装箱运往欧洲、北美、日本和澳大利亚等海外市场。全球多家知名整车制造商在中国选择了欧菲滤清器，包括大众、通用、雷诺、尼桑、现代、福特、菲亚特克莱斯勒等。6/7的全球知名主要整车制造商选择安装欧菲滤清器。

面对新能源汽车的爆发式增长以及史上最严国六排放标准的出台，欧菲集团坚持在挑战中需求新的机遇，针对新能源电动车、混合动力车、燃料电池车设计并生产专业的过滤解决方案。欧菲集团研发出新一代空气滤清器和水冷过滤器满足电动车的过滤标准，空气滤芯全寿命过滤效率达到99.9%以上。面对混合动力车发动机的需求，欧菲集团提供更加高效耐久的升级材料以满足更长的保养里程和更换间隔，同时为燃料电池车设计出能吸收有害气体的空气滤清器和燃油冷却器等产品。

欧菲集团亚太区首席运营官LUCA BIAGINI先生表示：“面对庞大的市场规模，欧菲集团始终坚持以技术优势和产品创新在竞争对手林立的滤清器行业中脱颖而出，每年投入研发经费超过年销售额的5%，我们在中国和欧洲各有一个研发中心，拥有114项国际专利，定制化滤材被广泛应用于不同的领域，希望可以为中国滤清器市场注入新的技术与动力。”

意大利欧菲集团成立于1971年，旗下拥有欧菲和索菲玛两大品牌， 4 000多名员工分布在12个国家，4大洲，20多个分支办公室。从20世纪80年代起欧菲集团就为竞速运动提供滤清器，其中欧菲集团为F1法拉利车队提供了近17年的滤清器产品。2016年每11家F1车队中有9家车队选择安装了欧菲滤清器。2016年欧菲集团销售额达4.15亿欧元，在14个制造基地生产了6 800万只滤清器，2009—2016年销售额保持12%复合增长。

(来源：俞庆华)

Characterization of Bumper Plastic Material and Simulation Application in Pedestrian Protection

WU Hailong1, LAI Xinghua1,YANG Haiyan2, SHEN Bo2, ZHOU Dayong2, LIU Weiguo2, ZHANG Hongye3

(1.Suzhou Automobile Research Institute (Xiangcheng), Tsinghua University, Suzhou Jiangsu 215000, China;2.Zhejiang Key Laboratory of Automobile Safety Technology,Geely Automobile Institute， Hangzhou Zhejiang 311228,China;3.Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510700,China)

A series of quasi-static and dynamic loading tests were conducted on the bumper plastic material, and the mechanics property curves under different stresses were obtained. Material model of No.187 was developed based on the explicit integration algorithm of the LS-DYNA, which model yield surface was fitted by four yield sites of tensile, shear, compression and the bidirectional tensile yield using least squares method, more applicable to characterize mechanical properties of plastic material. The developed No.187 model was applied to simulate the dynamic tensile, shear, compression and perforation four basic conditions and the simulation results were compared with the test results. At the end, this material model was applied to system level of pedestrian protection leg impact to verify the reliability of the developed material model.

Bumper; Plastic material;Characterization; Pedestrian leg impact

2017-06-06

江苏省重点研发计划-产业前瞻与共性关键技术(BE2015065)

吴海龙(1989—)，男，工程师,研究方向为汽车轻量化和碰撞安全。 E-mail:wuhailong@tsari.tsinghua.edu.cn。

赖兴华， E-mail:laixinghua@tsari.tsinghua.edu.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.07.001

U465.2

A

1674-1986(2017)07-001-05