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汽車動力總成懸置的碰撞失效模擬研究

2019-07-21 14:43:26·  來源：汽車動力總成懸置的碰撞失效模擬研究  作者：吳長鵬,謝斌等  
　
摘要：在正面碰撞工況中，汽車動力總成懸置的斷裂失效模擬的精度對縱梁變形模式有著重要影響。本研究為準(zhǔn)確描述懸置的斷裂失效行為，開展了鑄鋁材料的力學(xué)性能試
摘要：在正面碰撞工況中，汽車動力總成懸置的斷裂失效模擬的精度對縱梁變形模式有著重要影響。本研究為準(zhǔn)確描述懸置的斷裂失效行為，開展了鑄鋁材料的力學(xué)性能試驗，并基于CrachFEM模型的標(biāo)定帶有失效準(zhǔn)則的材料卡片；而后通過對懸置支架的落錘沖擊試驗和模擬對標(biāo)，提出了鑄鋁懸置建模的分析方法；最后根據(jù)整車碰撞仿真應(yīng)用結(jié)果展現(xiàn)CrachFEM失效模型模擬懸置斷裂失效過程的優(yōu)越性，是提高汽車動力總成碰撞仿真的精度，為碰撞虛擬性能開發(fā)提供仿真評估的有效手段。

系統(tǒng)化材料力學(xué)性能實驗

根據(jù)鑄鋁材料特性選擇試驗矩陣包括：單軸拉伸，直角開槽拉伸，圓孔拉伸/三點彎，寬樣條三點彎，穿孔，面內(nèi)壓縮以及剪切實驗。所有試驗的樣件尺寸都經(jīng)過準(zhǔn)確設(shè)計以表征相應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)，通過測量試驗后樣件在斷口區(qū)域的厚度和減薄率可計算該應(yīng)力狀態(tài)的失效應(yīng)變值。鑄鋁材料塑性硬化行為的應(yīng)變率效應(yīng)不明顯，但斷裂失效應(yīng)變有很強(qiáng)的應(yīng)變率相關(guān)性，故選擇準(zhǔn)靜態(tài)0.001/s和動態(tài)100/s兩種應(yīng)變率開展鑄鋁材料的失效特性研究。


CrachFEM材料卡片開發(fā)

鑄鋁材料的仿真卡片開發(fā)主要包括彈塑性模型和失效模型。其中彈塑性模型主要為塑性硬化準(zhǔn)則和屈服軌跡的擬合，而失效模型則主要是正向斷裂和剪切斷裂兩種模式的失效軌跡的標(biāo)定。

· MF GenYld彈塑性模型擬合

· CrachFEM失效準(zhǔn)則標(biāo)定

利用實驗中不同應(yīng)力狀態(tài)下的失效應(yīng)變值，結(jié)合CrachFEM韌性失效準(zhǔn)則，開展正向斷裂和剪切失效準(zhǔn)則的參數(shù)擬合。失效軌跡實際為一個三維曲面，通常為了描述方便會只顯示為平面應(yīng)力狀態(tài)下顯示的剪切和正向失效曲線。鑄鋁的斷裂失效有較為敏感的應(yīng)變率效應(yīng)，碰撞仿真中需要兼顧其應(yīng)變率影響，以確保仿真精度的可靠性。

鑄鋁懸置的動態(tài)沖擊仿真對標(biāo)

采用落錘沖擊試驗來驗證沖擊載荷下鑄鋁失效模擬的準(zhǔn)確性。仿真在通用有限元軟件LS-DYNA中進(jìn)行；結(jié)構(gòu)在厚度方向至少均勻分布兩層網(wǎng)格，以有效預(yù)測結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)及大?。粦抑每偝芍械南鹉z、襯套和澆注螺栓等過渡區(qū)域均采用共節(jié)點建模；安裝螺栓采用焊點BEAM單元和包殼單元模擬，通過*INITIAL_AXIAL_FORCE施加螺栓預(yù)緊力，使模型更逼近實際。


對比試驗和仿真結(jié)果，仿真斷裂模式與試驗完全吻合，鑄鋁件斷裂失效路徑與試驗一致性良好，此外碰撞力曲線的吻合度也非常高。

 整車碰撞仿真應(yīng)用 

將詳細(xì)建模的懸置總成集成至整車碰撞模型中，包括詳細(xì)網(wǎng)格建模和帶有失效的鑄鋁材料卡片等，開展100%重疊剛性壁障正面碰撞仿真分析。仿真得到整車正面碰撞中鑄鋁懸置在26-29ms的時序圖：26ms時懸置襯套上部產(chǎn)生裂紋，27ms時刻前端區(qū)域發(fā)生斷裂，29ms時刻鑄鋁懸置支架在襯套區(qū)域整體發(fā)生斷裂，變速箱殼體與前縱梁發(fā)生脫離，與整車碰撞試驗傳感器獲得的27ms懸置斷裂時刻基本一致，且懸置斷裂失效位置與試驗完全相同。


此外，仿真結(jié)果中縱梁在根部發(fā)生彎折及上抬變形，與試驗中縱梁的變形模式完全一致。通過預(yù)測懸置失效可以準(zhǔn)確模擬變速箱總成對懸置總成及前縱梁的沖擊，使縱梁變形模式更加貼合實際情況，這是目前采用失效時刻定義懸置總成與縱梁脫離的模擬方法無法實現(xiàn)的。另外，比較車身B柱底部試驗和仿真的加速度曲線可知，在準(zhǔn)確模擬出懸置的斷裂失效及縱梁變形模式前提下，碰撞仿真中車體加速度波形與實驗吻合良好。

總結(jié) 

針對正面碰撞仿真中懸置斷裂失效模擬的難題開展研究。首先，完成了高壓鑄鋁材料開展系統(tǒng)化力學(xué)性能試驗，并基于CrachFEM韌性失效準(zhǔn)則建立了鑄鋁材料卡片；接著，通過動態(tài)落錘試驗與仿真對標(biāo)驗證了高壓鑄鋁材料卡片的準(zhǔn)確性以及懸置建模方法的可靠性；最后，通過整車碰撞仿真應(yīng)用展示CrachFEM失效模型準(zhǔn)確模擬懸置總成在受到碰撞載荷工況下的斷裂失效行為的出色能力。綜上，CrachFEM及相應(yīng)模擬方法再動力總成懸置碰撞失效仿真上的應(yīng)用對提高碰撞仿真精度和安全開發(fā)能力有積極指導(dǎo)作用，為碰撞虛擬性能開發(fā)提供可靠的仿真評估手段。
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