李本懷,陳秉智
(1.中國北車集團 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 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
目前為滿足車輛碰撞吸能仿真分析并實現(xiàn)車輛結(jié)構(gòu)吸能優(yōu)化設(shè)計,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)特性的真實反映.
采用拉伸SHPB試驗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、波形存儲裝置及計算機等組成[1- 2].在試驗過程中,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,對試件進行動態(tài)拉伸加載,同時,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)拉伸試驗方法》進行.
動態(tài)拉伸試驗是通過應(yīng)力波對試件進行加載,是一個瞬態(tài)過程,整個加載過程在不到1 ms的時間內(nèi)完成.試驗需要動態(tài)應(yīng)變儀對信號進行放大,通過高采樣率的數(shù)據(jù)采集設(shè)備將信號傳輸?shù)接嬎銠C,之后,運用專用的數(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),因而需要開展多個應(yīng)變率的試驗[5].同時,考慮材料性能可能的分散性,以及動態(tài)試驗中瞬態(tài)過程中具有的不確定性和不可控性,每種應(yīng)變率的試驗數(shù)量均要多開展一些.
2.1 實驗內(nèi)容
試驗樣塊中對厚度小于10 mm的板材采用扁平啞鈴狀試件實施測試;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
通過對試驗機的加載速度和入射波產(chǎn)生的控制,實現(xiàn)對試件材料在應(yīng)變率為102~103量級下3個應(yīng)變率水平(350、750、1 100 s-1左右)的動態(tài)拉伸試驗.每種規(guī)格材料在各應(yīng)變率水平下保證至少有5個有效試驗數(shù)據(jù).試驗結(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)屈服強度等,在確認(rèn)試驗是一次加載斷裂時,同時提供試件材料的動態(tài)拉伸強度、延伸率和斷面收縮率.
2.2 典型材料實驗結(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,根據(jù)特定的條件對指定的材料進行研究,同時借助已有的本構(gòu)模型,結(jié)合試驗數(shù)據(jù)進行修改,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].
試驗分為靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗,靜態(tài)試驗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)試驗曲線包含了試驗的全過程測試結(jié)果,即彈性段、屈服段、塑性強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,去除拉伸強度點以后的部分[9].在LS-DYNA中用的是真實應(yīng)力和對數(shù)應(yīng)變,在求塑性強化模量、塑性參量曲線和列表數(shù)據(jù)時需要進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化.下面以Q690材料的試驗結(jié)果為例,對參數(shù)化過程進行說明.
數(shù)據(jù)平均:由于每種材料的靜態(tài)拉伸試驗進行了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)化為真實應(yīng)力—自然對數(shù)應(yīng)變曲線,如圖6所示.
圖6 真實應(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)試驗結(jié)果比較,若存在應(yīng)變率效應(yīng),選取屈服點通過最小二乘擬合求得參量(動態(tài)曲線取過沖后的低點為屈服點).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
(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.
A