沖壓工藝對鋼板力學(xué)性能的影響和仿真應(yīng)用研究

鄭顥 歐陽俊 王玉超 劉彥梅 李偉 黃毅

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州510000）

1 前言

汽車碰撞過程是一個瞬時的動態(tài)過程，在典型的汽車正面碰撞測試中車身材料的應(yīng)變率可達500/s甚至更高[1-2]。國內(nèi)外許多學(xué)者都對常用車用材料的力學(xué)性能及其力學(xué)模型表征方法開展了大量的研究，主要關(guān)注原始板材的應(yīng)變率效應(yīng)和動態(tài)力學(xué)性能曲線的應(yīng)用方法[3-6]。而從原始板材制備實際整車中的零部件的過程，材料經(jīng)過了一系列的生產(chǎn)工藝，包括沖壓成形、焊接、涂裝、烘烤等，最終其性能往往與原始板材的力學(xué)特性有較大差異。范瑞麟[7]等研究了經(jīng)沖壓工藝形成的加工硬化現(xiàn)象及其對碰撞變形吸能產(chǎn)生的影響。毛博文[8]等研究了預(yù)應(yīng)變和應(yīng)變速率對HC340LA鋼板力學(xué)性能的影響，并通過JC模型擬合試驗數(shù)據(jù)得到材料的動態(tài)本構(gòu)關(guān)系，以應(yīng)用于材料碰撞仿真數(shù)值計算。目前行業(yè)中原始鋼板的靜動態(tài)力學(xué)性能曲線積累較多，而零部件取樣后測試得到的高速曲線積累較少，而且制樣等工序也較復(fù)雜，關(guān)于如何通過原始板材的高速曲線和一些簡單試驗，結(jié)合數(shù)學(xué)方法得到反映零部件真實力學(xué)性能的方法還研究較少。因此研究原始板材和零部件的靜動態(tài)力學(xué)性能，并通過對比分析其性能差異，開發(fā)一種工程應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理方法，可以將原始板材的力學(xué)曲線優(yōu)化修正得到近似零部件的靜動態(tài)力學(xué)性能，從而有效提高原始板材曲線的仿真對標精度。

針對汽車板材料GC420LA原始鋼板和縱梁內(nèi)板(未經(jīng)過烘烤)取樣進行高速拉伸試驗，研究其多種應(yīng)變率水平的力學(xué)特性，對比分析原始板材和零部件裁切樣件后得出的試驗結(jié)果，綜合考慮零部件成形工藝和加工工藝，總結(jié)原始板材經(jīng)零部件加工之后對自身力學(xué)特性產(chǎn)生的影響，確定原始板材力學(xué)特性曲線修正方法，最后進行材料級別和零部件級別的仿真對標分析，驗證了原始板材力學(xué)曲線修正方法的有效性。

2 板材性能測試和零部件落錘試驗

2.1 靜動態(tài)拉伸試驗

研究對象為GC420LA鋼板，與之對應(yīng)的零部件為經(jīng)冷沖壓工藝成形過后的縱梁內(nèi)板和吸能盒，實物如圖1所示。縱梁內(nèi)板和吸能盒的成形、涂裝、烘烤工藝相同，可以認為其性能接近。為了研究原始板材和零部件的力學(xué)性能的差異，分別切割試樣開展準靜態(tài)（應(yīng)變率0.001/s）和5個應(yīng)變率（1/s,10/s,50/s,100/s,500/s）的動態(tài)拉伸試驗。準靜態(tài)拉伸和動態(tài)拉伸的試件形狀和尺寸如圖2所示。

圖1 試驗對象原始板材、縱梁內(nèi)板和吸能盒實物

圖2 準靜態(tài)、動態(tài)拉伸試樣尺寸

準靜態(tài)和動態(tài)拉伸試驗分別使用電子萬能試驗機和高速拉伸試驗機進行測試，動態(tài)拉伸試驗系統(tǒng)如圖3所示。100/s應(yīng)變率以下試驗使用試驗機自帶的傳感器進行載荷測量，100/s和500/s應(yīng)變率試驗采用在試樣表面粘貼應(yīng)變片的方式進行載荷測量；所有應(yīng)變率下的應(yīng)變均采用非接觸方式測量。

圖3 Zwick動態(tài)拉伸試驗系統(tǒng)

2.2 零部件落錘試驗

為了研究零部件的吸能特性，并對零部件仿真結(jié)果進行對標分析，本項目同時開展了吸能盒落錘試驗。該試驗主要在落錘試驗臺上完成，初始沖擊速度8 m/s，錘頭質(zhì)量161 kg；并使用加速度傳感器對加速度和載荷進行測量，使用高速攝像機拍攝試驗過程，采用非接觸方式獲取試驗過程中的實時壓縮位移。試驗裝置照片如圖4所示。

圖4 吸能盒落錘試驗裝置

3 試驗結(jié)果和分析

3.1 原始板材和零部件取樣力學(xué)性能

載荷除以試件初始橫截面積得到工程應(yīng)力，非接觸測量可以獲得工程軸向應(yīng)變。GC420LA原始板材和縱梁內(nèi)板切割試驗工程應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示。從試驗曲線可以明顯看出，原始板材和縱梁內(nèi)板試件的強度均隨著應(yīng)變率的增加而增加，而斷裂失效應(yīng)變同樣呈現(xiàn)變大的趨勢。進一步分析，提取曲線中關(guān)鍵參數(shù)屈服強度R p0.2、抗拉強度Rm、最大力總延伸率Agt和斷裂總延伸率At進行對標分析，如圖5c所示。從對比圖可見，原始板材經(jīng)過冷沖壓成形、涂裝和烘烤工藝后，屈服強度和抗拉強度提高5%左右；而對應(yīng)的塑性呈現(xiàn)降低趨勢。

圖5 板材和部件靜動態(tài)拉伸試驗結(jié)果

3.2 原始板材力學(xué)特性曲線修正

從上節(jié)對原始板材和縱梁內(nèi)板零部件試驗結(jié)果的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)原始板材經(jīng)過成形、涂裝和烘烤工藝后的性能發(fā)生較大變化，主要體現(xiàn)在強度提高，塑性降低。在實際工程情況下，原始板材的靜動態(tài)力學(xué)性能曲線和零部件的靜態(tài)力學(xué)曲線較容易獲得，而零部件的動態(tài)曲線的積累較少，取樣也比較復(fù)雜。在整車碰撞仿真應(yīng)用中通常需要基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)通過優(yōu)化或修正的方法間接得到零部件的高速曲線，從而獲得與實際部件相接近的性能曲線。結(jié)合Johnson-Cook模型[9]，提出了一種對原始板材曲線優(yōu)化修正的方法，以得到近似零部件的性能曲線。優(yōu)化方法和基本流程如下。

已有原始板材的靜動態(tài)力學(xué)性能曲線，開展零部件的靜態(tài)拉伸試驗；

對比原始板材和零部件靜態(tài)拉伸試驗結(jié)果，確定頸縮點對應(yīng)的工程應(yīng)力和最大力總延伸率Agt；

基于對比結(jié)果，并結(jié)合原始板材的應(yīng)變率變化，采用下列公式（1）和（2），對原始板材在不同應(yīng)變率下的高速曲線分別進行優(yōu)化修正，得到近似的零部件的高速力學(xué)曲線。

優(yōu)化修正方法分為應(yīng)變修正和應(yīng)力修正，如公式（1）和（2）所示。

式中：σp為修正后的工程應(yīng)力；εp為修正后的工程應(yīng)變；σs為原始板材工程應(yīng)力；εs為原始板材工程應(yīng)變；Δε為制造過程中的塑性變形量，即原始板材曲線的應(yīng)變平移量；Δσ為制造過程中的抗拉強度變化量，該增量的應(yīng)變率效應(yīng)由材料的工藝常數(shù)c表達；ε0為靜態(tài)應(yīng)變率常數(shù)0.001，ε?為對應(yīng)動態(tài)應(yīng)變率常數(shù)1、10、50、100和500。

對GC420LA原始板材和縱梁內(nèi)板的不同應(yīng)變率測試結(jié)果進行分析，使用最小二乘法進行擬合分析得到公式（1）、（2）中的主要參數(shù)如表1所示。原始板材不同應(yīng)變率下拉伸曲線修正后的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線與縱梁內(nèi)板拉伸性能曲線的屈服-抗拉段對比如圖6a所示，關(guān)鍵參數(shù)的對比如圖6b所示，可以看出，經(jīng)原始板材修正后的曲線與縱梁內(nèi)板切割后的試驗曲線具有較高吻合度，屈服強度和抗拉強度偏差均在±5%以內(nèi)。

表1 GC420LA原始板材修正參數(shù)

圖6 原始板材修正后與縱梁內(nèi)板拉伸曲線對比分析

4 材料拉伸曲線仿真應(yīng)用分析

4.1 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線外推

材料拉伸曲線的頸縮點之前均是均勻塑性變形階段，頸縮后就是失穩(wěn)狀態(tài)。但是頸縮前的應(yīng)變太小，均勻塑性變形階段曲線無法滿足仿真應(yīng)用，通常需要對曲線進行擬合外推。首先采用公式（3）、（4）、（5）計算真實應(yīng)變、真實應(yīng)力和塑性應(yīng)變，獲取真實應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線；再利用Swift-Hockett.Sherby本構(gòu)[10]對真實應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線進行擬合外推；最終得到一系列靜動態(tài)高速拉伸真實應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線。圖7展示了采用Swift-Hockett.Sherby準則擬合得到的縱梁內(nèi)板和原始板材曲線修正后的真實應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線，該系列曲線可直接應(yīng)用到CAE軟件中進行仿真分析。

圖7 部件外推曲線和原始板材修正外推曲線

4.2 材料拉伸仿真對標分析

為驗證原始板材優(yōu)化的曲線以及擬合獲取的真實應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線的有效性，首先需要進行材料級別的仿真對標分析。采用LS-DYNA軟件對試驗材料進行了有限元模擬仿真分析，選用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY模型描述材料的力學(xué)特性，該模型廣泛應(yīng)用于整車碰撞仿真中模擬鋼板，需要輸入材料的密度、楊氏模量、泊松比和不同應(yīng)變率下的真實應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線。仿真中的試件采用0.5 mm全積分殼單元對試樣進行網(wǎng)格劃分，如圖8所示，仿真輸出與試驗測量保持相同的工程應(yīng)力應(yīng)變等信息。

圖8 材料拉伸仿真模型

圖9對比了10/s和500/s兩個應(yīng)變率下，通過原始板材曲線優(yōu)化修正得到的仿真結(jié)果與零部件試驗結(jié)果。在屈服～抗拉段的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的一致性非常好。進一步提取5個動態(tài)應(yīng)變率下仿真得到的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線的關(guān)鍵參數(shù)屈服強度Rp0.2、抗拉強度Rm、最大力總延伸率Agt的對比分析，如表2所示。統(tǒng)計試驗與仿真曲線在屈服強度、抗拉強度和頸縮應(yīng)變?nèi)齻€指標上的誤差百分比，屈服強度和抗拉強度在5個應(yīng)變率工況下均有95%的對標精度，而頸縮應(yīng)變在5個應(yīng)變率工況下的綜合誤差均＜5%。證明本研究中提出的曲線修正方法應(yīng)用滿足實際的材料級仿真對標要求，從而驗證了修正方法的合理性和準確性。

表2 原始板材曲線優(yōu)化修正得到仿真結(jié)果與零部件試驗結(jié)果對比

圖9 原始板材曲線優(yōu)化修正得到的10/s和500/s拉伸仿真與零部件試驗結(jié)果

4.3 零部件落錘試驗與仿真應(yīng)用分析

完成了對原始板材優(yōu)化的曲線以及擬合獲取的真實應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線的有效性材料級別的驗證后，進一步開展部件級別的仿真應(yīng)用。如圖10（a）所示的吸能盒落錘仿真模型，吸能盒采用5 mm大小的全積分殼單元建模，焊縫采用Rigid剛性連接，其他輸入與落錘試驗一致。材料模型同樣選用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY，分別輸入縱梁內(nèi)板試件和原始板材優(yōu)化修正后真實應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線。輸出的載荷、能量-壓縮位移曲線如圖10（b）所示。選取仿真與試驗結(jié)果的最大壓縮、峰值載荷和吸收能量三個指標進行誤差分析，如表3所示。輸入縱梁內(nèi)板曲線得到的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果偏差＜5%，原始板材修正曲線的仿真結(jié)果與部件曲線試驗結(jié)果的一致性較好，除了峰值載荷偏差為9.63%，最大壓縮位移和最大吸能的偏差都＜5%。說明本研究中提出的針對原始板材曲線優(yōu)化修正方法滿足實際的零部件級仿真對標要求，對部件沖擊試驗仿真的精度較高。

表3 吸能盒落錘試驗與仿真結(jié)果偏差分析

圖10 吸能盒落錘仿真模型和試驗與仿真結(jié)果對比

5 結(jié)束語

基于GC420LA原始板材和縱梁內(nèi)板切割材料靜動態(tài)拉伸試驗結(jié)果，對比了6個應(yīng)變率工況下的力學(xué)性能的差異，綜合考慮縱梁內(nèi)板加工及成形工藝影響，提出了對原始板材曲線進行修正的方法，通過材料和零部件的試驗與仿真對標研究分析了原始板材修正曲線的精度，驗證了該修正方法的有效性。

a.GC420LA板材的應(yīng)變率效應(yīng)明顯，隨著加載速率的增大，其強度明顯增大，縱梁內(nèi)板零部件經(jīng)過生產(chǎn)加工工藝后其強度增大，而塑性降低；

b.對比分析了GC420LA原始板材和零部件拉伸曲線的差異，提出了一套優(yōu)化修正方法，原始板材曲線經(jīng)修正后與零部件曲線的結(jié)果非常接近，總體偏差小于5%；

c.將原始板材修正后的曲線進行擬合外推，并通過材料拉伸仿真對標驗證了有效性，其仿真與試驗結(jié)果的偏差小于5%，最后應(yīng)用于吸能盒部件沖擊試驗與仿真對標，仿真得到的峰值載荷、最大壓縮位移和最大吸收能量與試驗結(jié)果的偏差均小于10%，驗證了本文提出的原始板材試驗曲線修正方法的合理性和有效性，該方法可以推廣使用。