軌道車輛材料力學(xué)性能測試

李本懷,陳秉智

(1.中國北車集團(tuán) 長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

軌道車輛材料力學(xué)性能測試

李本懷1,陳秉智2

(1.中國北車集團(tuán) 長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

介紹軌道車輛應(yīng)用金屬材料的靜態(tài)及動態(tài)力學(xué)性能的測試，分別介紹材料的準(zhǔn)靜態(tài)測試、不同應(yīng)變率下材料的動態(tài)性能曲線測試方法，并闡述基于LS-DYNA軟件材料本構(gòu)模型的建立方法及材料的應(yīng)變率效應(yīng).

軌道車輛金屬材料；應(yīng)變率效應(yīng)；材料本構(gòu)模型

0 引言

目前為滿足車輛碰撞吸能仿真分析并實(shí)現(xiàn)車輛結(jié)構(gòu)吸能優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真分析是必不可少的研發(fā)手段，獲得結(jié)構(gòu)材料在不同應(yīng)變率下的材料特性，即進(jìn)行材料動態(tài)本構(gòu)關(guān)系研究也十分必要.復(fù)雜結(jié)構(gòu)塑形動力學(xué)響應(yīng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性，在很大程度上取決于本構(gòu)關(guān)系對材料的動態(tài)特性的真實(shí)反映.

1 實(shí)驗(yàn)方法

采用拉伸SHPB試驗(yàn)裝置測試材料的高應(yīng)變率動態(tài)拉伸力學(xué)性能.動態(tài)拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)由錘頭、撞塊、入射波產(chǎn)生件、輸入件、輸出件、試件、應(yīng)變片、應(yīng)變測量裝置、波形存儲裝置及計(jì)算機(jī)等組成[1- 2].在試驗(yàn)過程中，位于旋轉(zhuǎn)盤上的錘頭與撞塊撞擊，使入射波金屬桿發(fā)生塑性變形直到斷裂[3].輸入桿的拉伸應(yīng)力波傳到試件后，對試件進(jìn)行動態(tài)拉伸加載，同時(shí)，應(yīng)力波發(fā)生發(fā)射和投射.輸入桿和輸出桿上的入射波、發(fā)射波和透射波信號由粘貼在輸入(出)桿上的應(yīng)變片測試獲得[4].基于一維應(yīng)力波理論，由導(dǎo)桿上的測試結(jié)果計(jì)算獲得試件的動態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線.動態(tài)拉伸試驗(yàn)裝置按照國家軍用標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料室溫動態(tài)拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行.

動態(tài)拉伸試驗(yàn)是通過應(yīng)力波對試件進(jìn)行加載，是一個(gè)瞬態(tài)過程，整個(gè)加載過程在不到1 ms的時(shí)間內(nèi)完成.試驗(yàn)需要動態(tài)應(yīng)變儀對信號進(jìn)行放大，通過高采樣率的數(shù)據(jù)采集設(shè)備將信號傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，之后，運(yùn)用專用的數(shù)據(jù)處理程序完成對數(shù)據(jù)的分析處理來獲取材料的動態(tài)拉伸力學(xué)性能.動態(tài)拉伸試驗(yàn)主要目的是研究材料力學(xué)性能的應(yīng)變率效應(yīng)，因而需要開展多個(gè)應(yīng)變率的試驗(yàn)[5].同時(shí)，考慮材料性能可能的分散性，以及動態(tài)試驗(yàn)中瞬態(tài)過程中具有的不確定性和不可控性，每種應(yīng)變率的試驗(yàn)數(shù)量均要多開展一些.

2 實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果討論

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)樣塊中對厚度小于10 mm的板材采用扁平啞鈴狀試件實(shí)施測試；對于厚度大于等于10 mm的材料采用圓柱啞鈴狀試件開展測試，具體樣塊如圖1所示.

(a)扁平啞鈴狀(b)圓柱啞鈴狀

圖1 試件示意圖

通過對試驗(yàn)機(jī)的加載速度和入射波產(chǎn)生的控制，實(shí)現(xiàn)對試件材料在應(yīng)變率為102～103量級下3個(gè)應(yīng)變率水平(350、750、1 100 s-1左右)的動態(tài)拉伸試驗(yàn).每種規(guī)格材料在各應(yīng)變率水平下保證至少有5個(gè)有效試驗(yàn)數(shù)據(jù).試驗(yàn)結(jié)果包括試樣的動態(tài)拉伸(塑性)應(yīng)力-應(yīng)變曲線及平均塑形應(yīng)變率、動態(tài)屈服強(qiáng)度等，在確認(rèn)試驗(yàn)是一次加載斷裂時(shí)，同時(shí)提供試件材料的動態(tài)拉伸強(qiáng)度、延伸率和斷面收縮率.

2.2 典型材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對06Cr19Ni10、SUS301L-ST、S500MC等幾種典型軌道車輛結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行材料性能測試，測試結(jié)果如圖2 ～圖4所示.

(a)350 s-1(b)750 s-1(c)1 100 s-1

圖2 06Cr19Ni10三種應(yīng)變率下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

(a)350 s-1(b)750 s-1(c)1 100 s-1

圖3 SUS301L-ST三種應(yīng)變率下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

(a)350 s-1(b)750 s-1(c)1 100 s-1

圖4 S500MC三種應(yīng)變率下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

2.3 材料性能參數(shù)化

2.3.1 軌道車輛材料本構(gòu)模型

由于材料的組織結(jié)構(gòu)區(qū)別，其應(yīng)變率的敏感程度和熱軟化敏感程度有較大差異，找到一個(gè)描述所有材料對沖擊載荷的動態(tài)響應(yīng)的本構(gòu)模型來是不可能的[3].因此，在數(shù)值模擬和工程應(yīng)用時(shí)，根據(jù)特定的條件對指定的材料進(jìn)行研究，同時(shí)借助已有的本構(gòu)模型，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，尋找描述特定材料和特定條件下的本構(gòu)模型.

2.3.2 軌道車輛材料參數(shù)化

在軌道客車安全性分析數(shù)值模擬較多采用不考慮溫度效應(yīng)的分段線性塑形模型(對應(yīng)DYNA材料庫24號材料).本節(jié)主要針對分段線性塑性MAT_024材料模型，結(jié)合材料力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果，闡述模型參數(shù)擬合和獲取過程.

(1)MAT_024材料參量

MAT_024模型可以考慮應(yīng)變率和應(yīng)變對流動應(yīng)力的影響，其中應(yīng)變率效應(yīng)采用Cowper-Symonds關(guān)系描述，應(yīng)變強(qiáng)化采用分段線性方法表示[6].該模型可以給出兩種形式的動態(tài)流動應(yīng)力關(guān)系：

(1)

(2)

式中：σd為動態(tài)流動應(yīng)力；σy0為靜態(tài)屈服應(yīng)力；C，P為Cowper-Symonds模型參量；σy(εp)為靜態(tài)流動應(yīng)力[7].

試驗(yàn)分為靜態(tài)試驗(yàn)和動態(tài)試驗(yàn)，靜態(tài)試驗(yàn)可獲得材料的基本性能數(shù)據(jù)，包含彈性模量、屈服應(yīng)力、塑形應(yīng)力應(yīng)變曲線等；動態(tài)和靜態(tài)試驗(yàn)相結(jié)合獲得材料的應(yīng)變率效應(yīng).

(2)MAT_024模型的塑性參量獲取

靜態(tài)試驗(yàn)曲線包含了試驗(yàn)的全過程測試結(jié)果，即彈性段、屈服段、塑性強(qiáng)化段和最后的試件頸縮破壞[8].在塑性參量的轉(zhuǎn)化過程中需要減去彈性段的應(yīng)變，去除拉伸強(qiáng)度點(diǎn)以后的部分[9].在LS-DYNA中用的是真實(shí)應(yīng)力和對數(shù)應(yīng)變，在求塑性強(qiáng)化模量、塑性參量曲線和列表數(shù)據(jù)時(shí)需要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化.下面以Q690材料的試驗(yàn)結(jié)果為例，對參數(shù)化過程進(jìn)行說明.

數(shù)據(jù)平均：由于每種材料的靜態(tài)拉伸試驗(yàn)進(jìn)行了3次，在數(shù)據(jù)處理中需要取其平均值.圖5為3次靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果曲線，采用曲線平均的方法獲得材料的性能曲線.

圖5 Q690材料應(yīng)力-應(yīng)力曲線

獲取真實(shí)應(yīng)力—自然對數(shù)應(yīng)變曲線：減去曲線的彈性段，采用如下公式將應(yīng)力—應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)化為真實(shí)應(yīng)力—自然對數(shù)應(yīng)變曲線，如圖6所示.

圖6 真實(shí)應(yīng)力—自然對數(shù)應(yīng)變曲線圖

(3)

(4)

式中:εp是材料的塑性應(yīng)變，通過將材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的塑性段去除材料屈服點(diǎn)的應(yīng)變獲取.

(3)材料應(yīng)變率效應(yīng)參量的獲取

在LS-DYNA的MAT_024材料模型中，應(yīng)變率效應(yīng)通過Cowper-Symonds關(guān)系表征:

根據(jù)材料屈服應(yīng)力隨應(yīng)變率的變化，用最小二乘擬合即可獲得參量C和P.材料可以分為應(yīng)變率效應(yīng)無關(guān)材料和應(yīng)變率效應(yīng)相關(guān)材料[10].在參數(shù)擬合前，首先需要結(jié)合靜動態(tài)試驗(yàn)對比，確定有無應(yīng)變率效應(yīng)(大部分鋁材和部分鋼材沒有應(yīng)變率效應(yīng)).若無，則為應(yīng)變率效應(yīng)無關(guān)材料，此時(shí)則用靜態(tài)材料性能數(shù)據(jù)就可以表征材料性能，如圖7為材料EN-AW6082-T6不同應(yīng)變率下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，其可認(rèn)為是應(yīng)變率無關(guān)的材料，不必輸入C和P.

圖7 不同應(yīng)變率下AW6082-T6鋁合金靜動態(tài)曲線比較

應(yīng)變率效應(yīng)相關(guān)材料[11].通過靜、動態(tài)試驗(yàn)結(jié)果比較，若存在應(yīng)變率效應(yīng)，選取屈服點(diǎn)通過最小二乘擬合求得參量(動態(tài)曲線取過沖后的低點(diǎn)為屈服點(diǎn)).圖8為SUS301L-DLT和Q235材料的靜動態(tài)曲線比較，其中各曲線均采用了上面提到的曲線平均處理.圖9是通過Origin擬合的曲線，相應(yīng)的Cowper-Symonds參量分別為C=5 340s-1，P=1.83(SUS301L-DLT)和C=2 480s-1，P=3.84(Q235).

(a)SUS301L-DLT

(b)Q235

(a)SUS301L-DLT

(b)Q235

3 結(jié)論

(1)軌道車輛材料分應(yīng)變率效應(yīng)相關(guān)材料和應(yīng)變率效應(yīng)無關(guān)材料，如EN-AW6082-T6，Q690為應(yīng)變率效應(yīng)無關(guān)材料，SUS301L-DLT和Q235相關(guān)材料；

(2)為了保證材料的吸能穩(wěn)定性，吸能區(qū)、壓潰管等吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上建議采用應(yīng)變率無關(guān)材料.

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Study of Mechanical Properties Test of Material Applied in Railway Vehicle

LI Benhuai1,CHEN Bingzhi2

(1.CNR Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd,Changchun 130062，China；2.School of Traffic and Transportation Engineering，Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Static and dynamic mechanical properties test were carried out for metallic materials of railway vehicle.Methods of quasi-static test and dynamic performance with different strain rate are introduced.In addition,a method based on LS-DYNA in building constitutive model and strain-rate effect were expounded.

metal material of railway vehicle;strain-rate effect;constitutive model

1673- 9590(2015)01- 0029- 05

2014- 06- 29

李本懷(1978-),男，工程師,碩士，主要從事仿真分析的研究

E-mail:lbh@163.com.

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