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CAERI智庫(kù)丨面向汽車碰撞安全的熱成形鋼斷裂失效表征與驗(yàn)證

2021-11-11 18:45:47·  來(lái)源：中國(guó)汽研檢測(cè)事業(yè)部  
　
摘要: 以典型22MnB5熱成形鋼為研究對(duì)象，采用混合硬化模型描述材料的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，并設(shè)計(jì)具有不同應(yīng)力狀態(tài)的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的斷
摘 要: 以典型22MnB5熱成形鋼為研究對(duì)象，采用混合硬化模型描述材料的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，并設(shè)計(jì)具有不同應(yīng)力狀態(tài)的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂應(yīng)變，結(jié)合有限元逆向優(yōu)化方法對(duì)Gissmo失效模型進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，建立基于塑性硬化和斷裂失效的22MnB5熱成形鋼材料模型。對(duì)熱成形鋼進(jìn)行脹形試驗(yàn)及仿真分析，得到的兩種載荷－位移曲線一致，峰值載荷相對(duì)誤差為3.02%;對(duì)熱成形B柱進(jìn)行三點(diǎn)靜壓試驗(yàn)，采用建立的材料模型進(jìn)行有限元仿真分析，模擬失效位置與試驗(yàn)失效位置一致，兩種方式獲得的靜壓試驗(yàn)峰值載荷最大相對(duì)誤差為3.06%。結(jié)果表明建立的材料模型可以準(zhǔn)確表征22MnB5熱成形鋼的塑性變形行為及斷裂失效行為。

關(guān)鍵詞: 22MnB5; 斷裂失效; 應(yīng)變硬化; 應(yīng)力狀態(tài); Gissmo 失效模型

引言
一直以來(lái)，油耗、安全和環(huán)保是汽車工業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展道路上必須面對(duì)的三大問(wèn)題。輕量化是集材料、結(jié)構(gòu)和工藝于一體的多學(xué)科交叉且多領(lǐng) 域融合的系統(tǒng)工程，是降低油耗的有效手段之一。鋼鐵材料作為汽車工業(yè)制造的基礎(chǔ)材料，一直以來(lái)被廣泛應(yīng)用于車身、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和底盤(pán)系統(tǒng)等。隨著整車安全性和燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)要求日漸嚴(yán)苛，超高強(qiáng)熱成形鋼作為一種兼顧安全與燃油經(jīng)濟(jì)性 的輕量化材料，在車身上得到了廣泛使用。

車輛碰撞的數(shù)值仿真技術(shù)作為一種在汽車安全性能開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要開(kāi)發(fā)手段，相比傳統(tǒng)的碰撞試驗(yàn)，能極大地縮短研發(fā)周期、節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。熱成形鋼作為一種廣泛應(yīng)用的安全、輕量化材料，已經(jīng)得到了大量研究，其工藝是先在高溫下完成奧氏體化，之后沖壓成形并快速冷卻，獲得具有全馬氏體組織的超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)1500 MPa，伸長(zhǎng)率為6%～8%。汽車碰撞主要是一個(gè)高速、動(dòng)態(tài)的大變形過(guò)程，局部應(yīng)變速率可達(dá)300～500s－1。如何有效表征22MnB5熱成形后的動(dòng)態(tài)力學(xué)變形行為，特別是經(jīng)歷材料大變形后的斷裂過(guò)程，對(duì)準(zhǔn)確模擬汽車碰撞過(guò)程十分重要。

目前常用的斷裂失效準(zhǔn)則有成形極限圖(Form-ing Limit Diagram，F(xiàn)LD)、Johnson-Cook斷裂準(zhǔn)則及Gissmo失效模型等。研究表明，材料在不同的應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂應(yīng)變差異顯著。Johnson-Cook 斷裂準(zhǔn)則以線性方式計(jì)算損傷積累，在模擬碰撞斷裂時(shí)精度均不高。Gissmo失效模型由于同時(shí)考慮了材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的失效應(yīng)變以及應(yīng)變路徑對(duì)失效的影響和非線性損傷積累方式，適用于超高強(qiáng)鋼板材在復(fù)雜工況下的斷裂行為表征。

本文以典型 22MnB5 熱成形鋼為研究對(duì)象，通過(guò)建立混合硬化模型描述材料塑性變形過(guò)程中的流 變行為，通過(guò)對(duì)不同尺寸和形狀的試樣進(jìn)行拉伸試 驗(yàn)，獲得不同應(yīng)力狀態(tài)下材料的斷裂應(yīng)變，采用Gissmo失效模型表征材料的斷裂特性。進(jìn)行脹形試驗(yàn)、零部件靜壓試驗(yàn)及臺(tái)車碰撞試驗(yàn)，采用建立的材料模型進(jìn)行仿真分析，對(duì)兩種分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，系統(tǒng)驗(yàn)證建立的材料模型的準(zhǔn)確性。

1 試驗(yàn)材料及方法
1.1 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料為22MnB5熱成形鋼，化學(xué)成分見(jiàn)表1，材料厚度為1.5mm，按照某車型B柱的熱成形生產(chǎn)工藝進(jìn)行平板淬火工藝處理，平板淬火工藝處理后的力學(xué)性能及顯微組織分別如圖1和圖2所示。


從圖1和圖2可以看出: 按照某車型B柱的熱成形生產(chǎn)工藝進(jìn)行平板淬火處理后，材料的顯微組織為條狀馬氏體組織，單向拉伸條件下，材料的屈服強(qiáng)度大于1100MPa，抗拉強(qiáng)度大于 1600MPa，均勻伸長(zhǎng)率為5.11%，斷后伸長(zhǎng)率為7.07%，符合熱沖壓零部件技術(shù)要求。
1.2力學(xué)性能試驗(yàn)
考慮應(yīng)變速率對(duì)材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，本次力學(xué)性能試驗(yàn)選取了5個(gè)應(yīng)變速率: 0.001、0.1、1、10、100和500s－1?？紤]不同應(yīng)變路徑對(duì)材料斷裂失效的影響，進(jìn)行了典型的動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)、靜態(tài)單向拉伸試驗(yàn)、剪切拉伸試驗(yàn)、中心孔拉伸試驗(yàn)、Ｒ5缺口試驗(yàn)和Ｒ10缺口試驗(yàn)。對(duì)利用線切割試樣進(jìn)行加工，過(guò)程中盡量控制試樣溫度，防止影響材料性能，試驗(yàn)樣品尺寸如圖3所示。


2 材料表征
材料的性能表征包括兩部分: 一是材料的塑性變形表征，包含材料的屈服準(zhǔn)則、塑性硬化模型和動(dòng)態(tài)應(yīng)變率效應(yīng)等; 二是材料的斷裂失效表征和包含材料受力狀態(tài)表征、失效模型選取、應(yīng)變率效應(yīng)和網(wǎng)格尺寸效應(yīng)等。
2. 1 材料的塑性變形表征
金屬材料的塑性變形可以用屈服準(zhǔn)則、硬化模型以及應(yīng)變率效應(yīng)來(lái)描述，通過(guò)材料在不同應(yīng)變速率條件下的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果來(lái)獲得材料的工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線。但在整車仿真分析中，材料的性能數(shù)據(jù)需要提供流變應(yīng)力－塑性應(yīng)變曲線，材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)需根據(jù)ISO 26203—2中的式 (1) ～ 式 (3) 進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。
εpl = ln( 1 + et － Ｒ /E) (1)
σ = Ｒ( 1 + et ) (2)
εt = ln( 1 + et ) (3)
式中: εpl為材料的塑性真實(shí)應(yīng)變; Ｒ為材料的工程應(yīng)力; et 為材料的工程應(yīng)變; σ 為材料的真實(shí)應(yīng)力; εt為材料的真實(shí)應(yīng)變; E為材料的彈性模量。
材料流變應(yīng)力－應(yīng)變曲線僅能反映材料在發(fā)生均勻塑性變形時(shí)的材料性能，材料在縮頸后的性能 需結(jié)合材料塑性硬化行為進(jìn)行外推，本文采用Swift- Herbet-Sherby方程進(jìn)行外延。
σ= αK(εpl+ε0)d+(1－α) (a－be－cεppl) (4)
式中: α 為擬合系數(shù); K、a、b、c、d 和 p 均為常數(shù); ε0 為屈服應(yīng)變。
為了確定擬合系數(shù)α(范圍在0～1) ，并校驗(yàn)材料塑性硬化表征的準(zhǔn)確性，選取單向拉伸試驗(yàn) 行試驗(yàn)與仿真結(jié)果的比較，材料的彈塑性模擬采用LS-DYNA MAT24 材料模型，有限元模型單元采用0. 3mm的實(shí)體網(wǎng)格。選取典型單向拉伸試驗(yàn)的對(duì)標(biāo)結(jié)果作為討論，圖4所示為準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比。由圖4可知載荷－位移曲線吻合度較高，說(shuō)明采用Swift-Herbet-Sherby硬化準(zhǔn)則擬合，并通過(guò)逆向外推的方法可以很好地預(yù)測(cè)熱成形材料的塑性變形行為。


2. 2 材料的斷裂失效表征
2. 2. 1 材料的斷裂失效模型
Gissmo斷裂失效模型是一種基于應(yīng)變路徑的唯象失效模型，能夠預(yù)測(cè)材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的損傷失效行為，模型反映了材料受損、損傷積累直至斷裂的過(guò)程，可以精確描述非線性損傷積累的失效模式，被廣泛應(yīng)用于金屬大變形過(guò)程，特別是碰撞斷裂模擬中。如圖5所示，Gissmo斷裂失效模型中主要包括路徑相關(guān)斷裂準(zhǔn)則和路徑相關(guān)不穩(wěn)定性準(zhǔn)則兩個(gè)部分。
式中: σ1、σ2、σ3 為空間3個(gè)方向的主應(yīng)力;σv為Mises 等效應(yīng)力;σm為平均應(yīng)力。
2. 2. 2 應(yīng)力狀態(tài)表征
通過(guò)改變樣品的形狀和尺寸表征材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下材料的損傷失效行為，采用試驗(yàn)和有限元逆向優(yōu)化相結(jié)合的方法得到 Gissmo 斷裂失效模型的相關(guān)參數(shù)，如表2所示，最終得到22MnB5熱成形鋼的不穩(wěn)定變形曲線以及失效曲線，如圖6 所示。
2. 2. 3 斷裂模型標(biāo)定
利用試驗(yàn)和有限元仿真結(jié)果對(duì)所建立的Gissmo斷裂失效模型進(jìn)行模擬驗(yàn)證，最終的對(duì)標(biāo)結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，所建立的22MnB5熱成形鋼的Gissmo斷裂模型具有良好的正向預(yù)測(cè)性，可以很好地模擬在各種應(yīng)力狀態(tài)下的拉伸試驗(yàn)過(guò)程，各個(gè)應(yīng)力狀態(tài)下的拉伸載荷－位移曲線均顯示模擬與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)良好。
3 試驗(yàn)驗(yàn)證
3. 1 脹形試驗(yàn)
利用脹形試驗(yàn)對(duì)材料斷裂模型進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，試樣尺寸如圖8所示，試樣周邊以螺栓固定，采用Φ10mm 的沖頭以5mm·s－1的速度下壓試樣直至破裂。


按照實(shí)際試樣尺寸和試驗(yàn)過(guò)程中的邊界條件對(duì)脹形試驗(yàn)進(jìn)行有限元模擬，圖9為試驗(yàn)和有限元仿真結(jié)果對(duì)比圖，結(jié)果顯示 Gissmo模型可以大致模擬出裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展情況。對(duì)穿孔過(guò)程的載荷－位移曲線進(jìn)行仿真模擬，模擬的邊界條件與試驗(yàn)過(guò)程一致。圖10為試驗(yàn)與仿真過(guò)程中的載荷－位移曲線對(duì)比，試驗(yàn)的峰值載荷為59186N，模擬的峰值載荷為60972N，相對(duì)誤差為3. 02%，說(shuō)明Gissmo斷裂失效模型能夠有效預(yù)測(cè)脹形試驗(yàn)過(guò)程的斷裂失效。
3. 2 B柱三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)
作為車身上重要的安全結(jié)構(gòu)件，B柱的抗彎性能在整車安全性能評(píng)價(jià)中十分重要。為考察B柱的抗彎性能，本文通過(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和仿真考察B柱的彎曲性能和斷裂模式，試驗(yàn)工裝及邊界條件如圖11所示。
試驗(yàn)用壓頭選用剛性壓頭，壓頭半徑為152mm。B柱試件兩端通過(guò)工裝剛性固定在試驗(yàn)臺(tái)上，靜壓位置位于轎車后門(mén)上安裝鉸鏈處。試驗(yàn)時(shí)采用準(zhǔn)靜態(tài)加載方式，壓頭加載速度0. 002mm·s－1，出現(xiàn)明顯失效時(shí)停止加載，試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)后樣品狀態(tài)如圖12所示。
圖13為靜態(tài)彎曲條件下的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，圓圈所示為大變形和破裂位置。由圖可知，仿真與試驗(yàn)的整體變形基本一致，失效位置和變形程度也基本一致，說(shuō)明材料的失效模型能夠有效地對(duì)零件在彎曲條件下的失效行為進(jìn)行表征。


圖14為零件三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)與仿真獲得的載荷－位移曲線，3次試驗(yàn)獲得的峰值載荷分別為21850、22470 和 22920N，仿真分析獲得的峰值載荷為22240N，試驗(yàn)與仿真的峰值載荷絕對(duì)誤差分別為－390、230和680N，相對(duì)誤差分別為1.75%、1.03%和3.06% 。此外，由于試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)工裝與試驗(yàn)樣品存在裝配間隙，導(dǎo)致仿真獲得的載荷－位移曲線與試驗(yàn)獲得的載荷－位移曲線出現(xiàn)偏移，但試驗(yàn)峰值力能得到很好的表征。


3.3 B柱側(cè)面碰撞試驗(yàn)
B柱是車身中重要的安全結(jié)構(gòu)件，在整車碰撞中，對(duì)乘員艙的完整性具有重要影響，B柱側(cè)面碰撞試驗(yàn)方案參考GB 20071—2006［13］。壁障為整車側(cè)碰試驗(yàn)所采用的標(biāo)準(zhǔn)壁障，臺(tái)車和壁障總質(zhì)量為950kg。B柱通過(guò)工裝固定在剛性墻上，碰撞位置按照正常裝車位置確定。臺(tái)車與B柱相對(duì)碰撞位置與整車側(cè)面碰撞中保持一致。臺(tái)車碰撞速度結(jié)合CAE仿真分析確定，碰撞速度為11±0.5km·h－1。
圖15為B柱動(dòng)態(tài)側(cè)面碰撞試驗(yàn)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，由圖可知，仿真與試驗(yàn)的整體變形基本一致，由于試驗(yàn)條件為模擬B柱在整車上的變形模式，B柱在試驗(yàn)工程中未發(fā)生斷裂失效，從試驗(yàn)與仿真結(jié)果的對(duì)比來(lái)看，其變形程度吻合度較高，說(shuō)明材料的失效模型能夠有效地對(duì)零件在動(dòng)態(tài)沖擊條件下的失效和變形行為進(jìn)行表征。
4 結(jié)論
(1)采用Swift-Herbet-Sherby混合硬化準(zhǔn)則描述了 22MnB5熱成形鋼的塑性變形過(guò)程，試驗(yàn)和仿真結(jié)果表明該模型可以準(zhǔn)確描述22MnB5熱成形鋼的塑性變形行為。
(2)通過(guò)不同應(yīng)力狀態(tài)的試驗(yàn)獲得22MnB5熱成形鋼的斷裂應(yīng)變，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，建立了Gissmo材料斷裂失效模型。
(3)采用建立的硬化模型及斷裂模型進(jìn)行仿真分析并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，脹形試驗(yàn)中試驗(yàn)與仿真的載荷－位移曲線吻合較好，峰值載荷相對(duì)誤差為3.02% ; B柱的三點(diǎn)靜壓試驗(yàn)中，采用建立的材料模型分析獲得零件開(kāi)裂位置與試驗(yàn)結(jié)果一致，二者的峰值載荷最大相對(duì)誤差為3.06% ，表明建立的材料模型可以準(zhǔn)確表征22MnB5 熱成形鋼的塑性變形行為及斷裂失效行為。




作者：許偉，方剛，張鈞萍，趙清江，萬(wàn)鑫銘，周佳

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檢測(cè)事業(yè)部在整車測(cè)評(píng)、部件與材料、電子通信與軟件、汽車安全技術(shù)、環(huán)保與健康、新能源動(dòng)力、試驗(yàn)場(chǎng)地等領(lǐng)域，不斷提升客戶體驗(yàn)感與滿意度，踐行央企責(zé)任與使命，全心全意服務(wù)于國(guó)家汽車發(fā)展戰(zhàn)略。
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