某鋁合金截面徑向壓潰力有限元分析

劉俊，王靜，鄭曉雪

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

主題詞：鋁合金；徑向壓潰力；仿真

前言

輕量化材料的應(yīng)用是實現(xiàn)汽車輕量化最直接有效的方式，鋁合金具有密度低、易擠壓成型、力學(xué)性能優(yōu)良，廣泛的應(yīng)用于汽車工業(yè)。研究顯示，典型鋁制零件一次減重可達(dá)30%～40%，二次減重可達(dá)50%，而汽車每減重質(zhì)量10%，可實現(xiàn)節(jié)油6%～8%[1]。某商用車鋁合金前下防護(hù)P2 加載試驗過程中（GB26511-2011），發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與試驗結(jié)果偏差較大，試驗結(jié)果橫梁壓潰，而仿真結(jié)果橫梁僅少許變形。本文旨在從仿真角度，分析不同建模原因?qū)τ阡X合金截面徑向壓潰力的影響，利用萬能拉伸試驗機(jī)壓縮鋁合金截面，驗證仿真分析過程的準(zhǔn)確性，調(diào)整模型參數(shù)，從而提高仿真的有效性，為后期的防護(hù)法規(guī)試驗奠定基礎(chǔ)。

1 壓縮試驗

試驗材料為6 系6005A-T6，擠壓鋁型材，其基本性能指標(biāo)見表1，材料的塑性參數(shù)采用多線性彈塑性材料模型MAT 24 描述：

表1 鋁合金性能指標(biāo)

表2 試驗結(jié)果

圖1 截面形狀

圖2 試驗?zāi)Ｐ?/p>

圖3 試驗結(jié)果

本試驗采用分別長約60mm 和400mm 的橫梁，其截面如圖1 所示，試件靜置于試驗機(jī)底座中心，液壓缸下壓，萬能拉伸試驗機(jī)以20mm/min 的速度完成壓縮試驗，如圖2 所示，每組試驗3 次，記錄壓潰力峰值，其中60mm 為校準(zhǔn)模型試驗，400mm 為驗證模型試驗，結(jié)果如表2 所示，試驗結(jié)果存在一致性。

2 仿真分析

2.1 實體單元模擬

實體單元模擬結(jié)果相對準(zhǔn)確，首先利用60mm 長的截面劃分不同的網(wǎng)格數(shù)量來判定模型的收斂性能，壓潰力主要由橫梁截面的厚度來決定的，對于截面內(nèi)側(cè)筋板分別劃分3 層、5 層、7 層網(wǎng)格來判斷網(wǎng)格的收斂性。六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格長寬比小于3，結(jié)果如圖4 所示，當(dāng)網(wǎng)格尺寸趨于5 層時，壓潰力結(jié)果趨于收斂，最大壓潰力約6.14t。縮減積分中，網(wǎng)格層數(shù)越小，壓潰力越大。

選擇不同的單元積分類型進(jìn)行分析，塑性應(yīng)變結(jié)果如圖5，當(dāng)實體單元類型eleform=1 時，為單點縮減積分常應(yīng)力單元，具有高效、穩(wěn)定特點，縮減積分可能存在沙漏，需要較高的網(wǎng)格密度準(zhǔn)確的模擬分析過程；當(dāng)實體單元類型eleform=2 時，為選擇性的縮減積分實體單元，可能引起剪切自鎖[2]，在壓縮過程中，長寬比過大，自鎖現(xiàn)象尤為明顯。由于實體單元中積分點的增加，計算時間增大較多，當(dāng)為5層單元全積分時，從圖示得知，壓潰力失準(zhǔn)，最大壓潰力約8.01t。

圖4 實體單元剛度曲線

圖5 實體單元塑性應(yīng)變

2.2 殼單元簡化

實體單元在實際應(yīng)用中，并不可能大規(guī)模使用，可以通過合理的簡化方式來簡化模型。去除圓角特征，不同的厚度建立不同的component，分別用單元尺寸為10mm、7mm、5mm、3mm 劃分網(wǎng)格，在單元尺寸5mm 時，如圖6，壓潰力模型趨于收斂，最大壓潰力約6.22t。由于縮減積分的原因，網(wǎng)格尺寸10mm 時存在較大的沙漏。殼單元中eleform=2 時，為Belytschko-Tsay 算法，具有快速求解的優(yōu)點，但是不能夠精確的處理翹曲，且存在沙漏；eleform=16 時，為全積分函數(shù)，計算速度較eleform=2 相比較慢，能夠較好的處理殼體翹曲和沙漏，但是存在自鎖，自鎖導(dǎo)致壓潰力峰值異常。如圖7 所示，當(dāng)網(wǎng)格尺寸取3mm 時，塑性應(yīng)變的分布趨勢與實體網(wǎng)格一致，但由于單元類型的原因，塑性應(yīng)變結(jié)果略小。

圖6 殼單元剛度曲線

圖7 殼單元塑性應(yīng)變

2.3 加載速度的影響

準(zhǔn)靜態(tài)分析中，允許存在一定的速度和位移，只是慣性力在此過程中可以忽略不計。為了加快求解速率，通常提高加載速度或者質(zhì)量縮放，但是較快的速率會使模型出現(xiàn)非真實的動態(tài)效應(yīng)，產(chǎn)生非真實的應(yīng)力波。分析不同加載速度對壓潰力的影響，如圖8 所示，加載速率的提高，使得最大壓潰力的承載逐步增大，在50mm/s 時尤為明顯。通過提高加載速度的方法進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓潰計算時，動能內(nèi)能比值需要小于2%[4]，上述模擬滿足此要求。

圖8 加載速率的影響

2.4 模型驗證

通過比對不同的模型結(jié)果，確定合適的模型參數(shù)，利用長度約400mm 的長度校核模型的準(zhǔn)確性，其剛度結(jié)果如圖9所示，單元尺寸為3mm 的縮減積分殼單元可以較準(zhǔn)確的模擬了壓潰力，最大壓潰力約16.59t，與試驗偏差約2.3%，但塑性應(yīng)變結(jié)果與實體單元相比略小，可以滿足仿真需求。

圖9 400mm 剛度

圖10 400mm 塑性應(yīng)變

3 結(jié)論

本文的目的是仿真截面徑向壓潰力，對照試驗結(jié)果，選擇合理的建模方法和模型參數(shù)，確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（1）選擇合理的實體單元類型可以有效的模擬壓潰過程，且最大壓潰力與試驗結(jié)果吻合度較高，縮減積分的使用可以有效的避免剪切自鎖，但需要更高的網(wǎng)格密度；

（2）細(xì)化的殼網(wǎng)格塑性應(yīng)變結(jié)果與實體網(wǎng)格結(jié)果趨勢一致，且殼單元塑性應(yīng)變結(jié)果略小；殼單元剛度與實體網(wǎng)格剛度存在定量差異，且殼網(wǎng)格剛度略小于實體網(wǎng)格剛度；

（3）提高加載速率，可以有效的減小計算時間，速率越高，壓潰力越大，但過高的加載速率易引起結(jié)果失真，合理的加載速率需要結(jié)合模型結(jié)構(gòu)和材料應(yīng)變率等來確定。