基于零件壓潰試驗(yàn)加工硬化對吸能特性影響分析

王文龍，張翠杰，韓 燁

（1.河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000；2.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451150；3.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院新鄉(xiāng)分院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

1 引言

汽車零件在由原板加工成為零件的過程中，由于變形的發(fā)生，內(nèi)部組織發(fā)生了一定的位錯運(yùn)動，致使加工后零件的力學(xué)性能與原板發(fā)生了較大變化，即是存在加工硬化的過程[1]。而在進(jìn)行零件安全性碰撞分析時，卻忽略了此部分因素的影響，導(dǎo)致分析結(jié)果與實(shí)際之間存在較大的誤差。因此通過施加預(yù)應(yīng)變模擬材料的變形過程，獲取加工過程對材料性能的影響，進(jìn)而嵌入到仿真模型中，對提升仿真分析的準(zhǔn)確性具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了一定的研究：文獻(xiàn)[2]獲取不同應(yīng)變速率下的材料性能，基于此研究對前縱梁碰撞安全性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)應(yīng)變速率有效提升了材料的強(qiáng)度；文獻(xiàn)[3]采用數(shù)值模擬分析方法，獲取應(yīng)變速率對加工硬化的影響，結(jié)果表明隨著應(yīng)變速率的增加材料的應(yīng)變強(qiáng)化指標(biāo)增加；文獻(xiàn)[4]采用施加5%預(yù)應(yīng)變分析方法，獲取材料性能的變化及加工硬化的影響，預(yù)應(yīng)變可有效改善材料的加工硬化；文獻(xiàn)[5]通過施加不同的力學(xué)性能影響系數(shù)，分析對碰撞安全性的影響規(guī)律，結(jié)果表明增加系數(shù)可改善低速率下的分析結(jié)果。

分析可以發(fā)現(xiàn)，目前的研究主要集中在應(yīng)變速率對材料強(qiáng)度的影響，有效提升了仿真分析的準(zhǔn)確性；而加工硬化的影響涉及較少，且以理論模型的研究為主，并未將此影響應(yīng)用到實(shí)際的仿真分析中；同時，加工硬化在應(yīng)變速率升高后進(jìn)一步增強(qiáng)，應(yīng)將二者綜合考慮，正是采用試驗(yàn)和模擬相結(jié)合分方法進(jìn)行研究。

以汽車用前防撞梁用QP980為研究對象，基于靜態(tài)試驗(yàn)，對試樣分別施加0%、5%、10%、15%等的預(yù)應(yīng)變，獲取對材料力學(xué)性能主要特征參數(shù)的影響規(guī)律；基于Hollomon方程，獲取加工硬化指數(shù)n的變化規(guī)律，根據(jù)分析結(jié)果，對方程進(jìn)行修正，獲取加工硬化系數(shù)k，并將其嵌入到材料動態(tài)特性本構(gòu)模型中；根據(jù)薄壁梁落錘壓潰試驗(yàn)，采用試驗(yàn)和仿真對比分析的方法，研究加工硬化對零件吸能特性的影響。

2 預(yù)應(yīng)變對材料性能影響規(guī)律

2.1 材料力學(xué)特征

研究所采用的材料為汽車前防撞梁用材，QP980，厚度為1.6mm。根據(jù)GB228?2010 要求進(jìn)行制樣，試樣尺寸，如圖1 所示。采用MTS810萬能試驗(yàn)機(jī)，室溫下獲取材料力學(xué)性能[6]，選取軋制方向、橫向、45°方向進(jìn)行編號為1、2、3，測試結(jié)果的力學(xué)曲線，如圖2所示。相關(guān)力學(xué)性能特征參數(shù)，如表1所示。

圖1 試樣尺寸Fig.1 Sample Size

表1 材料力學(xué)性能Tab.1 Mechanical Properties of Materials

圖2 不同方向力學(xué)性能曲線Fig.2 Mechanical Property Curve in Different Direction

由測試結(jié)果可知，材料的強(qiáng)度較高，材料的延伸率比較低，均值僅為14.06%，整個材料的力學(xué)性能曲線可以發(fā)現(xiàn)，無明顯的屈服平臺；具有較高的加工硬化指數(shù)，平均加工硬化指數(shù)為0.2，表明材料的成形極限曲線高，具有較好的拉脹性能；材料在三個方向上的力學(xué)性能差異較小，表明材料的各向異性不明顯。

2.2 預(yù)應(yīng)變對性能影響

采用與靜態(tài)測試時完全相同的試樣和測試方法及設(shè)備。測試時，分別施加5%、10%、15%的預(yù)應(yīng)變，在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)拉伸直至試樣失效，每個預(yù)應(yīng)變下進(jìn)行五次重復(fù)試驗(yàn)，獲取平均參數(shù)值。為評價材料的吸能特性，采用強(qiáng)塑積進(jìn)行對比分析[7]，獲取方法為抗拉強(qiáng)度與斷后延伸率的乘積。獲得曲線，如圖3所示。參數(shù)，如表2所示。各參數(shù)變化曲線，如圖4所示。

圖4 各參數(shù)隨預(yù)應(yīng)變的變化曲線Fig.4 Variation Curve of Various Parameters with Pre?Strain

表2 各工況下材料特征參數(shù)值Tab.2 Material Characteristic Parameter Value Under Various Condition

圖3 不同預(yù)應(yīng)變下的力學(xué)曲線Fig.3 Mechanical Curves Under Different Pre?Strains

由圖中分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，材料強(qiáng)度對預(yù)應(yīng)變較為敏感，隨著施加預(yù)應(yīng)變的增加而顯著增加，屈服強(qiáng)度的變化趨勢明顯高于抗拉強(qiáng)度。

尤其是在5%預(yù)應(yīng)變時，增加最為明顯，上升幅度最大，表明在此應(yīng)變下材料內(nèi)部位錯運(yùn)動劇烈，材料加工硬化明顯。屈強(qiáng)比則整體呈現(xiàn)上升的趨勢，15%時預(yù)應(yīng)變則達(dá)到了0.96，此時屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較為接近，具有小的屈強(qiáng)比的特征。從吸能角度考慮，可以發(fā)現(xiàn)塑性積與材料的斷后延伸率呈現(xiàn)出正相關(guān)，二者隨著預(yù)應(yīng)變的變化趨勢保持基本一致，斷后延伸率的作用更為明顯。材料的加工硬化指數(shù)則變化趨勢較為復(fù)雜，隨著預(yù)應(yīng)變的增加，先減小后增加的趨勢，材料表現(xiàn)出較強(qiáng)的加工硬化。

2.3 預(yù)應(yīng)變對加工硬化的影響

材料的拉伸過程和加工制造過程可認(rèn)為是在恒定較低變化速率下的變形過程，近似于靜態(tài)的變化過程。在此過程中，根據(jù)Hollomon方程[8]：

因此，根據(jù)圖3獲得的曲線，計算獲得材料的瞬時n值曲線，如圖5所示。

圖5 不同預(yù)應(yīng)變下材料的n值變化Fig.5 Variation of n Value of Materials Under Different Pre?Strains

由圖中分析結(jié)果可知，預(yù)應(yīng)變對材料的加工硬化具有較大的影響，在整個拉伸過程中，未施加預(yù)應(yīng)變的情況下，n值在波動中逐漸減小，隨著預(yù)應(yīng)變的增加，這種減小趨勢逐漸增大，表明隨著應(yīng)變的增加，材料的加工硬化逐漸減弱。在施加預(yù)應(yīng)變之后，材料在大應(yīng)變區(qū)域內(nèi)加工硬化有較明顯的增大趨勢，在此區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出明顯的加工硬化現(xiàn)象。同時，施加預(yù)應(yīng)變后，材料的加工硬化指數(shù)明顯降低。

基于此，可以對Hollomon方程進(jìn)行修正，將材料不同變形階段進(jìn)行區(qū)分[9?10]，式（1）可修改為：

3 對吸能特性影響

3.1 加工硬化系數(shù)

汽車零件進(jìn)行碰撞仿真分析時，材料的力學(xué)性能本構(gòu)模型通常采用Johnson?Cook模型進(jìn)行描述[11]，表達(dá)式為：

3.2 基于落錘壓潰試驗(yàn)對比分析

將材料制作成為帽形梁結(jié)構(gòu)，試樣的長寬高尺寸為（60×80×350）mm，試樣，如圖6（b）所示。在落錘壓潰試驗(yàn)試驗(yàn)臺上開展沖擊試驗(yàn)[12?13]，沖擊速度為10m∕s，試驗(yàn)臺，如圖6（a）所示。試驗(yàn)過程中采集壓潰力和試樣變形，試驗(yàn)后試樣，如圖6（b）所示。

圖6 試樣和試驗(yàn)臺Fig.6 Samples and Test Bench

根據(jù)試驗(yàn)過程及試樣尺寸，基于HyperWorks建立落錘壓潰仿真分析模型，以式（4）所得的材料本構(gòu)模型作為材料性能輸入，定義其他相關(guān)參數(shù)，基于LS?DYNA進(jìn)行求解，分析模型和壓潰結(jié)束時刻模型，如圖7所示。

圖7 模型仿真分析Fig.7 Model Simulation Analysis

基于試驗(yàn)和仿真模型，獲取整個過程中壓潰力、位移、吸能等的變化曲線，如圖8所示。結(jié)合試樣壓潰后的失效形式可知，壓潰過程中，材料吸能的過程也是褶皺形成的過程，壓潰力呈現(xiàn)出震蕩下跌的過程，達(dá)到第一個峰值載荷后，不斷衰減，整個過程中的能量則呈現(xiàn)遞增的趨勢。提取整個過程中主要的性能參數(shù)進(jìn)行對比，如表3所示。

圖8 試驗(yàn)和仿真結(jié)果對比Fig.8 Comparison of Test and Simulation Results

表3 材料吸能特性參數(shù)Tab.3 Energy Absorption Characteristic Parameters

由特征值對比可知，在落錘沖擊過程中，零件表現(xiàn)出了良好的吸能特性。根據(jù)結(jié)果對比，不考慮加工硬化的影響時，仿真結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果偏差較大，誤差在9%左右，而考慮加工硬化后，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢保持一致，且特征值的誤差控制在3%左右；主要原因是，加工過程對內(nèi)部組織的位錯具有促進(jìn)作用，提高了材料的強(qiáng)度，而考慮加工硬化則是把此部分的影響加入到仿真分析中，因此與試驗(yàn)測試結(jié)果貼合度更好。

4 結(jié)論

（1）預(yù)應(yīng)變對材料力學(xué)特性具有較大的影響；隨著預(yù)應(yīng)變的增大，材料的強(qiáng)度逐漸提升，而屈服強(qiáng)度變化的更快；

（2）材料的斷后延伸率和塑性積在不同預(yù)應(yīng)變下的變化趨勢相同，且變化趨勢都比較明顯，整體呈現(xiàn)下降的趨勢；

（3）考慮加工硬化吸能特性分析結(jié)果與實(shí)際落錘壓潰分析結(jié)果更為接近，最大誤差在3%以內(nèi)，表明模型仿真的準(zhǔn)確性，進(jìn)而說明嵌入加工硬化指數(shù)的準(zhǔn)確性。