高強(qiáng)汽車板高速拉伸數(shù)值模擬及驗(yàn)證

文／王秋雨，張琳·河北鋼鐵集團(tuán)唐鋼分公司

汽車碰撞過程中材料變形是高應(yīng)變的動態(tài)過程，其應(yīng)變速率分布在10-1～103s-1之間，車輛碰撞安全可靠性分析對材料在高應(yīng)變速率條件下的力學(xué)行為提出了評測需求?？煽康牟牧夏Ｐ褪怯邢拊抡娴幕A(chǔ)，碰撞問題的有限元仿真涉及到材料在動態(tài)載荷作用下的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，另外，汽車主機(jī)廠的材料認(rèn)證也要求提供材料動態(tài)拉伸力學(xué)性能數(shù)據(jù)，因此，有必要開展汽車板材料動態(tài)力學(xué)行為研究，建立與變形率相關(guān)的材料模型。

本文對現(xiàn)有動態(tài)拉伸數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理分析，用HyperMesh前處理軟件生成Ls-Dyna材料庫文件，根據(jù)試驗(yàn)條件建立高速拉伸仿真模型，通過對比不同應(yīng)變速率下應(yīng)力-應(yīng)變的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證所建立的材料變形速率相關(guān)模型的可行性和適用性。

模型情況及基本假設(shè)

幾何模型的建立

高速拉伸試樣尺寸如圖1所示，利用HyperMesh前處理軟件對試樣建立動態(tài)拉伸試驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型，如圖2所示，其中平行段的網(wǎng)格尺寸為0.2mm，其他部分的網(wǎng)格尺寸均為0.4mm，為保證計(jì)算的準(zhǔn)確度，所有網(wǎng)格均采用規(guī)則六面體網(wǎng)格。

邊界條件及假設(shè)

拉伸試樣的右端面（圖2中綠色部分）固定，左端面（圖2中粉色部分）以恒速進(jìn)行拉伸，為了保證標(biāo)定段均勻變形，該速度為拉伸試驗(yàn)機(jī)的橫梁速度。本文模擬所采用的材料變形速率分別為0.1s-1、1.0s-1、10s-1、100s-1、500s-1、1000s-1。橫梁速度V=ε［(mS0/CM）+Lc］，式中：ε為試樣的應(yīng)變速率，單位為s-1；m為試樣的彈性模量，單位為MPa；S0為試樣原始的橫截面積，單位為mm2；CM為試驗(yàn)裝置中夾具的剛度，單位為N/m；Lc為試樣平行段的長度，單位為mm；V為橫梁的運(yùn)動速度，單位為mm/s。

由于在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)裝置的彈性變形量很小，因此，由試驗(yàn)裝置引起的橫梁運(yùn)動速度值變化可以忽略不計(jì)。橫梁運(yùn)動速度的公式可簡化為V=Lc·ε，根據(jù)該公式，計(jì)算得到仿真模擬時所采用橫梁的運(yùn)動速度，如表1所示。

圖1 高速拉伸試樣尺寸

圖2 利用HyperMesh軟件建立的高速拉伸數(shù)學(xué)模型

材料模型

試驗(yàn)材料為唐鋼的CR340/590DP冷軋鋼板，厚度為1.4mm，CR340/590DP的基本力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

汽車安全碰撞的過程是與材料的應(yīng)變速率相關(guān)的動態(tài)過程，在碰撞模擬過程中要輸入材料動態(tài)參數(shù)，以獲得準(zhǔn)確的輸出結(jié)果。在Ls-Dyna軟件中，與材料動態(tài)參數(shù)對應(yīng)的材料模型為24號彈塑性材料模型。

利用HyperMesh軟件建立與Ls-Dyna軟件相對應(yīng)的24號彈塑性材料模型，24號材料模型如表3所示。HyperMesh軟件中反映材料動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的方程為Cowper-Symonds本構(gòu)方程和表格LCSS兩種形式。采用清華大學(xué)擬合的Swift-Hockett-Sherby本構(gòu)數(shù)據(jù)，以表格的形式建立CR340/590DP的材料數(shù)據(jù)庫。

最后，將由HyperMesh軟件生成的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化成材料文件，在Ls-Dyna軟件中進(jìn)行計(jì)算處理，并觀察計(jì)算結(jié)果。

高速拉伸試驗(yàn)

技術(shù)方案

測試項(xiàng)目包括每種材料在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)共6個變形速率（0.1s-1、1s-1、10s-1、100s-1、500s-1、1000s-1）下進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)時均右端固定，左端以一定的速度進(jìn)行拉伸，其橫梁的運(yùn)動速度與表1一致，每次試驗(yàn)重復(fù)3次。在進(jìn)行動態(tài)拉伸試驗(yàn)前，先取0°、45°、90°三個方向的試樣進(jìn)行靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，確定強(qiáng)度最弱的方向。然后取最弱方向的試樣進(jìn)行不同變形速率下的動態(tài)拉伸試驗(yàn)。動態(tài)拉伸和準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試樣尺寸分別如圖1、圖3所示。

圖3 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試樣尺寸

表1 高速拉伸仿真所采用橫梁速度

表2 CR340-590DP的基本力學(xué)性能

表3 Ls-Dyna軟件中的24號材料模型

圖4 拉伸試驗(yàn)的主要試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備

主要試驗(yàn)設(shè)備如圖4所示，主要包括：

⑴ 電子萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)量程為50kN，測試速度范圍為0.001～500mm/min，主要用于準(zhǔn)靜態(tài)測試。

圖5 靜態(tài)和動態(tài)拉伸試驗(yàn)得到的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

⑵ 高速拉伸試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)量程為50kN，測試速度為0.001～20m/s，用于鋼板的動態(tài)測試。

⑶ 低速/高速攝像機(jī)，拍攝準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)試驗(yàn)過程中的試樣二維變形（1臺攝像機(jī)）。

⑷ 非接觸變形測量分析系統(tǒng)，分析試驗(yàn)錄像，計(jì)算試樣靜態(tài)/動態(tài)變形。

數(shù)據(jù)處理

根據(jù)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)做工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，由工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)化得到不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線（圖5）。由圖5可以看出，隨著變形速率的增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈遞增趨勢。這是因?yàn)殡S著變形速率的增大，變形時間越短，金屬的動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶越不充分，加工硬化作用越顯著。

仿真模擬結(jié)果及對比

模擬結(jié)果

現(xiàn)以變形速率1000s-1為例，介紹動態(tài)拉伸試驗(yàn)的模擬過程及結(jié)果，如圖6所示。

圖6 變形速率為1000s-1時出現(xiàn)縮頸前的應(yīng)力應(yīng)變分布圖

圖7 不同應(yīng)變速率下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

由圖6可以看出，在試驗(yàn)出現(xiàn)縮頸之前，試樣的平行標(biāo)定段處于均勻變形階段，即平行標(biāo)定段各個節(jié)點(diǎn)的真應(yīng)力和塑性應(yīng)變數(shù)值相同。因此，與試驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行對比分析時，可以跟蹤平行標(biāo)定段的任何一個節(jié)點(diǎn)。

仿真模擬數(shù)值與試驗(yàn)對比分析

應(yīng)變速率為0.1s-1、1s-1、10s-1、100s-1、500s-1、1000s-1時，跟蹤平行標(biāo)定段上某個節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變變化情況，繪制出縮頸前的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并與試驗(yàn)得到的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，模擬得到的各應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線與試驗(yàn)得到的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線吻合性很好，這說明利用HyperMesh軟件建立的24號與變形速率相關(guān)的彈塑性材料模型具有可靠性和可行性。

結(jié)論

⑴ 將各應(yīng)變速率下Swift-Hockett-Sherby本構(gòu)擬合數(shù)據(jù)以表格的形式輸入到Ls-Dyna軟件24號材料模型中，模擬不同應(yīng)變速率下的高速拉伸過程，模擬結(jié)果表明，在出現(xiàn)縮頸前，平行標(biāo)定段各節(jié)點(diǎn)處于均勻變形階段。

⑵ 不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線模擬仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，說明建立的材料模型具有可靠性和可行性。