隨著汽車碰撞相關(guān)法規(guī)工況越來越嚴(yán)苛，碰撞試驗(yàn)中常發(fā)生零部件結(jié)構(gòu)斷裂的現(xiàn)象。車身主要傳力部件（如吸能盒、縱梁等）的斷裂對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響極大，車身結(jié)構(gòu)失穩(wěn)將影響車內(nèi)人員的生命安全。目前主要通過仿真技術(shù)對(duì)這類重要零件進(jìn)行分析，而斷裂模擬的準(zhǔn)確性一直是仿真技術(shù)中的難點(diǎn)問題。

1 影響斷裂的因素

影響材料斷裂的因素主要包括：塑性應(yīng)變、加載類型（拉伸、壓縮、剪切）、應(yīng)變率、材料的離散性、非線性應(yīng)變路徑、網(wǎng)格大小和類型等等。

2 斷裂模擬的方法

材料在不同的受力狀態(tài)下，斷裂特性是不一樣的。舉個(gè)例子，一塊金屬，很容易把它拉斷，但是很難把它壓壞。拉、壓可以理解成是材料的一種應(yīng)力狀態(tài)。例如車用的薄板材料，一般可以用應(yīng)力三軸度來描述其應(yīng)力狀態(tài)。在某個(gè)應(yīng)力三軸度下，材料的斷裂特性，用失效應(yīng)變來表示。把所有的應(yīng)力三軸度下的失效應(yīng)變連成一條曲線，如下圖所示。一般用這條曲線來描述材料的斷裂特性。

1） 常應(yīng)變失效

在以前的碰撞仿真技術(shù)中，我們常使用單軸拉伸獲得的斷裂應(yīng)變來評(píng)價(jià)材料是否發(fā)生斷裂，這就是常應(yīng)變失效準(zhǔn)則。相當(dāng)于用金屬在單向拉伸受力狀態(tài)下的失效特性表征所有受力狀態(tài)下的失效特性。這就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)問題——材料拉伸的時(shí)候容易斷，但是在壓縮的時(shí)候基本很難斷裂，只使用拉伸的斷裂應(yīng)變來表達(dá)材料所有受力狀態(tài)下的斷裂應(yīng)變，就會(huì)導(dǎo)致仿真中材料在壓縮的時(shí)候過早發(fā)生斷裂，與真實(shí)情況不符合。所以這種方法只是對(duì)實(shí)際復(fù)雜斷裂特性的一種極簡(jiǎn)近似處理。LS-dyna中已經(jīng)在很多材料模型里增加了失效特性設(shè)置，我們最常見的是在MAT_024號(hào)材料模型中添加應(yīng)變失效（plastic strain at failure），添加該參數(shù)之后可以理解成，應(yīng)力三軸度-失效應(yīng)變曲線為一條直線。

2） GISSMO

與常應(yīng)變失效相比，GISSMO失效模型允許用戶定義在不同應(yīng)力三軸度下設(shè)置不同的失效應(yīng)變，該模型可以比較好地模擬材料復(fù)雜的失效行為。通過設(shè)計(jì)材料試驗(yàn)，用以表征該材料在某應(yīng)力三軸度下的失效應(yīng)變，最后再通過曲線擬合，即可獲得該材料完整的“應(yīng)力三軸度-失效應(yīng)變”曲線。



3） 全面的材料塑性和失效模型

為了獲得比較準(zhǔn)確的材料卡片，以上兩種方法都需要根據(jù)仿真和試驗(yàn)結(jié)果重新進(jìn)行校核，存在一定的局限性。本文采用的用戶自定義材料模型Crachfem，描述與表征材料的彈塑性行為（各向同性/異性屈服軌跡、塑性硬化行為、應(yīng)變率效應(yīng)等）和斷裂失效行為（局部頸縮失穩(wěn)、剪切斷裂、正向斷裂等）。充分考慮材料斷裂的影響因素及斷裂模式，獲得力學(xué)性能更加全面的材料卡片。

3 基于完整材料試驗(yàn)的斷裂模擬技術(shù)

1） 獲取基礎(chǔ)材料卡


通過以上試驗(yàn)獲得材料在不同應(yīng)力狀態(tài)的斷裂特性，由于鑄鋁的斷裂特性與應(yīng)變率相關(guān)性較大，因此基于準(zhǔn)靜態(tài)0.001/s和動(dòng)態(tài)100/s兩種應(yīng)變率開展鑄鋁材料的失效特性研究。



2） 力學(xué)特性修正



為了模擬懸置在整車正面碰撞中的受力狀態(tài)，設(shè)計(jì)懸置拉伸試驗(yàn)，對(duì)比仿真與試驗(yàn)的力-位移曲線發(fā)現(xiàn)，使用基礎(chǔ)材料卡的仿真中獲取的峰值力高于試驗(yàn)值。

原因分析：通過對(duì)懸置進(jìn)行樣條切割，發(fā)現(xiàn)懸置在鑄造過程中存在縮孔缺陷。縮孔使材料的力學(xué)性能有所削弱，為了模擬這種影響，應(yīng)考慮對(duì)原材料卡進(jìn)行修正。由于縮孔是鑄造引起的，不同區(qū)域縮孔大小不一致，采用傳統(tǒng)的等比例縮放不能有效地表征該性能，因此需要根據(jù)縮孔的分布特征，來對(duì)材料力學(xué)性能進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整。




對(duì)懸置不同區(qū)域切割同樣尺寸的試驗(yàn)進(jìn)行三點(diǎn)彎和單軸拉伸試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)其屈服強(qiáng)度及失效應(yīng)變的分布。根據(jù)分布規(guī)律分別對(duì)失效應(yīng)變和屈服強(qiáng)度進(jìn)行離散性處理。



材料卡離散性處理之后，仿真與試驗(yàn)的峰值力相近，說明該方法有效。對(duì)比試驗(yàn)后的照片及仿真動(dòng)畫，懸置斷裂位置與試驗(yàn)一致。



結(jié)束語(yǔ)

本文概述了汽車碰撞中常用斷裂失效模擬方法；以鑄鋁材料為例，介紹完整的材料斷裂失效卡片開發(fā)流程；最后，通過零部件的試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，展示該方法制作的材料卡片可準(zhǔn)確模擬懸置在受到碰撞載荷工況下的斷裂現(xiàn)象。綜上，根據(jù)以上的方法及流程開發(fā)的材料卡片，可以對(duì)零部件斷裂現(xiàn)象進(jìn)行有效模擬，仿真結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠的指導(dǎo)。