軌道車輛材料力學性能測試

李本懷,陳秉智

(1.中國北車集團 長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)

軌道車輛材料力學性能測試

李本懷1,陳秉智2

(1.中國北車集團 長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)

介紹軌道車輛應用金屬材料的靜態及動態力學性能的測試，分別介紹材料的準靜態測試、不同應變率下材料的動態性能曲線測試方法，并闡述基于LS-DYNA軟件材料本構模型的建立方法及材料的應變率效應.

軌道車輛金屬材料；應變率效應；材料本構模型

0 引言

目前為滿足車輛碰撞吸能仿真分析并實現車輛結構吸能優化設計，仿真分析是必不可少的研發手段，獲得結構材料在不同應變率下的材料特性，即進行材料動態本構關系研究也十分必要.復雜結構塑形動力學響應數值計算結果的可靠性，在很大程度上取決于本構關系對材料的動態特性的真實反映.

1 實驗方法

采用拉伸SHPB試驗裝置測試材料的高應變率動態拉伸力學性能.動態拉伸試驗系統由錘頭、撞塊、入射波產生件、輸入件、輸出件、試件、應變片、應變測量裝置、波形存儲裝置及計算機等組成[1- 2].在試驗過程中，位于旋轉盤上的錘頭與撞塊撞擊，使入射波金屬桿發生塑性變形直到斷裂[3].輸入桿的拉伸應力波傳到試件后，對試件進行動態拉伸加載，同時，應力波發生發射和投射.輸入桿和輸出桿上的入射波、發射波和透射波信號由粘貼在輸入(出)桿上的應變片測試獲得[4].基于一維應力波理論，由導桿上的測試結果計算獲得試件的動態拉伸應力-應變曲線.動態拉伸試驗裝置按照國家軍用標準《金屬材料室溫動態拉伸試驗方法》進行.

動態拉伸試驗是通過應力波對試件進行加載，是一個瞬態過程，整個加載過程在不到1 ms的時間內完成.試驗需要動態應變儀對信號進行放大，通過高采樣率的數據采集設備將信號傳輸到計算機，之后，運用專用的數據處理程序完成對數據的分析處理來獲取材料的動態拉伸力學性能.動態拉伸試驗主要目的是研究材料力學性能的應變率效應，因而需要開展多個應變率的試驗[5].同時，考慮材料性能可能的分散性，以及動態試驗中瞬態過程中具有的不確定性和不可控性，每種應變率的試驗數量均要多開展一些.

2 實驗測試及結果討論

2.1 實驗內容

試驗樣塊中對厚度小于10 mm的板材采用扁平啞鈴狀試件實施測試；對于厚度大于等于10 mm的材料采用圓柱啞鈴狀試件開展測試，具體樣塊如圖1所示.

(a)扁平啞鈴狀(b)圓柱啞鈴狀

圖1 試件示意圖

通過對試驗機的加載速度和入射波產生的控制，實現對試件材料在應變率為102～103量級下3個應變率水平(350、750、1 100 s-1左右)的動態拉伸試驗.每種規格材料在各應變率水平下保證至少有5個有效試驗數據.試驗結果包括試樣的動態拉伸(塑性)應力-應變曲線及平均塑形應變率、動態屈服強度等，在確認試驗是一次加載斷裂時，同時提供試件材料的動態拉伸強度、延伸率和斷面收縮率.

2.2 典型材料實驗結果

針對06Cr19Ni10、SUS301L-ST、S500MC等幾種典型軌道車輛結構材料進行材料性能測試，測試結果如圖2 ～圖4所示.

(a)350 s-1(b)750 s-1(c)1 100 s-1

圖2 06Cr19Ni10三種應變率下的應力—應變曲線

(a)350 s-1(b)750 s-1(c)1 100 s-1

圖3 SUS301L-ST三種應變率下的應力—應變曲線

(a)350 s-1(b)750 s-1(c)1 100 s-1

圖4 S500MC三種應變率下的應力—應變曲線

2.3 材料性能參數化

2.3.1 軌道車輛材料本構模型

由于材料的組織結構區別，其應變率的敏感程度和熱軟化敏感程度有較大差異，找到一個描述所有材料對沖擊載荷的動態響應的本構模型來是不可能的[3].因此，在數值模擬和工程應用時，根據特定的條件對指定的材料進行研究，同時借助已有的本構模型，結合試驗數據進行修改，尋找描述特定材料和特定條件下的本構模型.

2.3.2 軌道車輛材料參數化

在軌道客車安全性分析數值模擬較多采用不考慮溫度效應的分段線性塑形模型(對應DYNA材料庫24號材料).本節主要針對分段線性塑性MAT_024材料模型，結合材料力學性能的試驗結果，闡述模型參數擬合和獲取過程.

(1)MAT_024材料參量

MAT_024模型可以考慮應變率和應變對流動應力的影響，其中應變率效應采用Cowper-Symonds關系描述，應變強化采用分段線性方法表示[6].該模型可以給出兩種形式的動態流動應力關系：

(1)

(2)

式中：σd為動態流動應力；σy0為靜態屈服應力；C，P為Cowper-Symonds模型參量；σy(εp)為靜態流動應力[7].

試驗分為靜態試驗和動態試驗，靜態試驗可獲得材料的基本性能數據，包含彈性模量、屈服應力、塑形應力應變曲線等；動態和靜態試驗相結合獲得材料的應變率效應.

(2)MAT_024模型的塑性參量獲取

靜態試驗曲線包含了試驗的全過程測試結果，即彈性段、屈服段、塑性強化段和最后的試件頸縮破壞[8].在塑性參量的轉化過程中需要減去彈性段的應變，去除拉伸強度點以后的部分[9].在LS-DYNA中用的是真實應力和對數應變，在求塑性強化模量、塑性參量曲線和列表數據時需要進行相應的轉化.下面以Q690材料的試驗結果為例，對參數化過程進行說明.

數據平均：由于每種材料的靜態拉伸試驗進行了3次，在數據處理中需要取其平均值.圖5為3次靜態試驗結果曲線，采用曲線平均的方法獲得材料的性能曲線.

圖5 Q690材料應力-應力曲線

獲取真實應力—自然對數應變曲線：減去曲線的彈性段，采用如下公式將應力—應變曲線轉化為真實應力—自然對數應變曲線，如圖6所示.

圖6 真實應力—自然對數應變曲線圖

(3)

(4)

式中:εp是材料的塑性應變，通過將材料的應力—應變曲線的塑性段去除材料屈服點的應變獲取.

(3)材料應變率效應參量的獲取

在LS-DYNA的MAT_024材料模型中，應變率效應通過Cowper-Symonds關系表征:

根據材料屈服應力隨應變率的變化，用最小二乘擬合即可獲得參量C和P.材料可以分為應變率效應無關材料和應變率效應相關材料[10].在參數擬合前，首先需要結合靜動態試驗對比，確定有無應變率效應(大部分鋁材和部分鋼材沒有應變率效應).若無，則為應變率效應無關材料，此時則用靜態材料性能數據就可以表征材料性能，如圖7為材料EN-AW6082-T6不同應變率下的應力—應變曲線，其可認為是應變率無關的材料，不必輸入C和P.

圖7 不同應變率下AW6082-T6鋁合金靜動態曲線比較

應變率效應相關材料[11].通過靜、動態試驗結果比較，若存在應變率效應，選取屈服點通過最小二乘擬合求得參量(動態曲線取過沖后的低點為屈服點).圖8為SUS301L-DLT和Q235材料的靜動態曲線比較，其中各曲線均采用了上面提到的曲線平均處理.圖9是通過Origin擬合的曲線，相應的Cowper-Symonds參量分別為C=5 340s-1，P=1.83(SUS301L-DLT)和C=2 480s-1，P=3.84(Q235).

(a)SUS301L-DLT

(b)Q235

(a)SUS301L-DLT

(b)Q235

3 結論

(1)軌道車輛材料分應變率效應相關材料和應變率效應無關材料，如EN-AW6082-T6，Q690為應變率效應無關材料，SUS301L-DLT和Q235相關材料；

(2)為了保證材料的吸能穩定性，吸能區、壓潰管等吸能結構設計上建議采用應變率無關材料.

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Study of Mechanical Properties Test of Material Applied in Railway Vehicle

LI Benhuai1,CHEN Bingzhi2

(1.CNR Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd,Changchun 130062，China；2.School of Traffic and Transportation Engineering，Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Static and dynamic mechanical properties test were carried out for metallic materials of railway vehicle.Methods of quasi-static test and dynamic performance with different strain rate are introduced.In addition,a method based on LS-DYNA in building constitutive model and strain-rate effect were expounded.

metal material of railway vehicle;strain-rate effect;constitutive model

1673- 9590(2015)01- 0029- 05

2014- 06- 29

李本懷(1978-),男，工程師,碩士，主要從事仿真分析的研究

E-mail:lbh@163.com.

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