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CAERI智庫丨面向汽車碰撞安全的熱成形鋼斷裂失效表征與驗證

2021-11-11 18:45:47·  來源：中國汽研檢測事業(yè)部  
　
摘要: 以典型22MnB5熱成形鋼為研究對象，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)計具有不同應(yīng)力狀態(tài)的試樣進行拉伸試驗，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)計具有不同應(yīng)力狀態(tài)的試樣進行拉伸試驗，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Gissmo失效模型進行參數(shù)識別，建立基于塑性硬化和斷裂失效的22MnB5熱成形鋼材料模型。對熱成形鋼進行脹形試驗及仿真分析，得到的兩種載荷－位移曲線一致，峰值載荷相對誤差為3.02%;對熱成形B柱進行三點靜壓試驗，采用建立的材料模型進行有限元仿真分析，模擬失效位置與試驗失效位置一致，兩種方式獲得的靜壓試驗峰值載荷最大相對誤差為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，油耗、安全和環(huán)保是汽車工業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展道路上必須面對的三大問題。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，一直以來被廣泛應(yīng)用于車身、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和底盤系統(tǒng)等。隨著整車安全性和燃油經(jīng)濟性法規(guī)要求日漸嚴(yán)苛，超高強熱成形鋼作為一種兼顧安全與燃油經(jīng)濟性 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發(fā)過程中的重要開發(fā)手段，相比傳統(tǒng)的碰撞試驗，能極大地縮短研發(fā)周期、節(jié)約開發(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度結(jié)構(gòu)件，其抗拉強度可達1500 MPa，伸長率為6%～8%。汽車碰撞主要是一個高速、動態(tài)的大變形過程，局部應(yīng)變速率可達300～500s－1。如何有效表征22MnB5熱成形后的動態(tài)力學(xué)變形行為，特別是經(jīng)歷材料大變形后的斷裂過程，對準(zhǔn)確模擬汽車碰撞過程十分重要。

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)則以線性方式計算損傷積累，在模擬碰撞斷裂時精度均不高。Gissmo失效模型由于同時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)變路徑對失效的影響和非線性損傷積累方式，適用于超高強鋼板材在復(fù)雜工況下的斷裂行為表征。

本文以典型 22MnB5 熱成形鋼為研究對象，通過建立混合硬化模型描述材料塑性變形過程中的流 變行為，通過對不同尺寸和形狀的試樣進行拉伸試 驗，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。進行脹形試驗、零部件靜壓試驗及臺車碰撞試驗，采用建立的材料模型進行仿真分析，對兩種分析結(jié)果進行對比，系統(tǒng)驗證建立的材料模型的準(zhǔn)確性。

1 試驗材料及方法
1.1 試驗材料
試驗材料為22MnB5熱成形鋼，化學(xué)成分見表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，材料的屈服強度大于1100MPa，抗拉強度大于 1600MPa，均勻伸長率為5.11%，斷后伸長率為7.07%，符合熱沖壓零部件技術(shù)要求。
1.2力學(xué)性能試驗
考慮應(yīng)變速率對材料動態(tài)力學(xué)性能的影響，本次力學(xué)性能試驗選取了5個應(yīng)變速率: 0.001、0.1、1、10、100和500s－1?？紤]不同應(yīng)變路徑對材料斷裂失效的影響，進行了典型的動態(tài)拉伸試驗、靜態(tài)單向拉伸試驗、剪切拉伸試驗、中心孔拉伸試驗、Ｒ5缺口試驗和Ｒ10缺口試驗。對利用線切割試樣進行加工，過程中盡量控制試樣溫度，防止影響材料性能，試驗樣品尺寸如圖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)來描述，通過材料在不同應(yīng)變速率條件下的力學(xué)性能試驗結(jié)果來獲得材料的工程應(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，材料的試驗數(shù)據(jù)需根據(jù)ISO 26203—2中的式 (1) ～ 式 (3) 進行相應(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 為材料的真實應(yīng)力; εt為材料的真實應(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行外推，本文采用Swift- Herbet-Sherby方程進行外延。
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) ，并校驗材料塑性硬化表征的準(zhǔn)確性，選取單向拉伸試驗 行試驗與仿真結(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的實體網(wǎng)格。選取典型單向拉伸試驗的對標(biāo)結(jié)果作為討論，圖4所示為準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)單向拉伸試驗結(jié)果與模擬結(jié)果的對比。由圖4可知載荷－位移曲線吻合度較高，說明采用Swift-Herbet-Sherby硬化準(zhǔn)則擬合，并通過逆向外推的方法可以很好地預(yù)測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)則兩個部分。
式中: σ1、σ2、σ3 為空間3個方向的主應(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
利用試驗和有限元仿真結(jié)果對所建立的Gissmo斷裂失效模型進行模擬驗證，最終的對標(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)測性，可以很好地模擬在各種應(yīng)力狀態(tài)下的拉伸試驗過程，各個應(yīng)力狀態(tài)下的拉伸載荷－位移曲線均顯示模擬與試驗對標(biāo)良好。
3 試驗驗證
3. 1 脹形試驗
利用脹形試驗對材料斷裂模型進行應(yīng)用驗證，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。


按照實際試樣尺寸和試驗過程中的邊界條件對脹形試驗進行有限元模擬，圖9為試驗和有限元仿真結(jié)果對比圖，結(jié)果顯示 Gissmo模型可以大致模擬出裂紋的產(chǎn)生和擴展情況。對穿孔過程的載荷－位移曲線進行仿真模擬，模擬的邊界條件與試驗過程一致。圖10為試驗與仿真過程中的載荷－位移曲線對比，試驗的峰值載荷為59186N，模擬的峰值載荷為60972N，相對誤差為3. 02%，說明Gissmo斷裂失效模型能夠有效預(yù)測脹形試驗過程的斷裂失效。
3. 2 B柱三點彎曲試驗
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價中十分重要。為考察B柱的抗彎性能，本文通過三點彎曲試驗和仿真考察B柱的彎曲性能和斷裂模式，試驗工裝及邊界條件如圖11所示。
試驗用壓頭選用剛性壓頭，壓頭半徑為152mm。B柱試件兩端通過工裝剛性固定在試驗臺上，靜壓位置位于轎車后門上安裝鉸鏈處。試驗時采用準(zhǔn)靜態(tài)加載方式，壓頭加載速度0. 002mm·s－1，出現(xiàn)明顯失效時停止加載，試驗過程及試驗后樣品狀態(tài)如圖12所示。
圖13為靜態(tài)彎曲條件下的仿真與試驗結(jié)果對比，圓圈所示為大變形和破裂位置。由圖可知，仿真與試驗的整體變形基本一致，失效位置和變形程度也基本一致，說明材料的失效模型能夠有效地對零件在彎曲條件下的失效行為進行表征。


圖14為零件三點彎曲試驗與仿真獲得的載荷－位移曲線，3次試驗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，試驗與仿真的峰值載荷絕對誤差分別為－390、230和680N，相對誤差分別為1.75%、1.03%和3.06% 。此外，由于試驗過程中試驗工裝與試驗樣品存在裝配間隙，導(dǎo)致仿真獲得的載荷－位移曲線與試驗獲得的載荷－位移曲線出現(xiàn)偏移，但試驗峰值力能得到很好的表征。


3.3 B柱側(cè)面碰撞試驗
B柱是車身中重要的安全結(jié)構(gòu)件，在整車碰撞中，對乘員艙的完整性具有重要影響，B柱側(cè)面碰撞試驗方案參考GB 20071—2006［13］。壁障為整車側(cè)碰試驗所采用的標(biāo)準(zhǔn)壁障，臺車和壁障總質(zhì)量為950kg。B柱通過工裝固定在剛性墻上，碰撞位置按照正常裝車位置確定。臺車與B柱相對碰撞位置與整車側(cè)面碰撞中保持一致。臺車碰撞速度結(jié)合CAE仿真分析確定，碰撞速度為11±0.5km·h－1。
圖15為B柱動態(tài)側(cè)面碰撞試驗仿真與試驗結(jié)果對比，由圖可知，仿真與試驗的整體變形基本一致，由于試驗條件為模擬B柱在整車上的變形模式，B柱在試驗工程中未發(fā)生斷裂失效，從試驗與仿真結(jié)果的對比來看，其變形程度吻合度較高，說明材料的失效模型能夠有效地對零件在動態(tài)沖擊條件下的失效和變形行為進行表征。
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程，試驗和仿真結(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)通過不同應(yīng)力狀態(tài)的試驗獲得22MnB5熱成形鋼的斷裂應(yīng)變，對相關(guān)參數(shù)進行標(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行仿真分析并與試驗結(jié)果進行對比，脹形試驗中試驗與仿真的載荷－位移曲線吻合較好，峰值載荷相對誤差為3.02% ; B柱的三點靜壓試驗中，采用建立的材料模型分析獲得零件開裂位置與試驗結(jié)果一致，二者的峰值載荷最大相對誤差為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，萬鑫銘，周佳

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檢測事業(yè)部在整車測評、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、新能源動力、試驗場地等領(lǐng)域，不斷提升客戶體驗感與滿意度，踐行央企責(zé)任與使命，全心全意服務(wù)于國家汽車發(fā)展戰(zhàn)略。
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