基于碰撞模擬的HC420/780DP 動態力學性能研究及應用

白曉明，郭晶，燕際軍

（鞍鋼集團本鋼板材股份有限公司，遼寧 本溪 117001）

隨著國內汽車市場新車安全評價規程的完善，在車輛上市和銷售之前，需要在開發階段進行被動安全試驗，以確保滿足安全規定。新車評價計劃NCAP（New Car Assessment Program）給出了車身碰撞安全性能不同的試驗形式和評價內容。 碰撞研究分析可以通過對零部件進行碰撞試驗實現，汽車車身結構的耐撞性和約束保護系統的檢測依靠實驗的手段及工作人員的經驗來完成，實驗周期長、成本高[1-6]。 目前汽車廠的主要手段是CAE 碰撞模擬分析，可以降低成本、 提高產品質量，并有效縮短產品開發周期[7-10]。 金屬材料的本構關系在動載作用下會具有不同的力學特性，在高速加載工況下材料的屈服極限會明顯提高，只具備靜態力學性能的汽車鋼板材料卡片不足以完成高精度的碰撞模擬。 因此隨著汽車CAE 碰撞模擬的發展，金屬材料的動態力學性能成為研究與應用的熱點[11-14]。 本研究以HC420/780DP 高強鋼為例，測試了材料的不同應變速率的高速拉伸曲線，并對曲線進行了數據處理，建立了高速拉伸材料卡，同時以前縱梁-保險杠模型為例，進行了正面碰撞模擬分析。

1 動態力學性能試驗

1.1 試驗材料

本次試驗材料采用HC420/780DP，材料厚度為1.2 mm，HC420/780DP 的力學性能見表1。

表1 HC420/780DP 的力學性能Table 1 Mechanical Properties of HC420/780DP

1.2 試驗方法

材料按照GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》在Z100 電子拉伸試驗機上進行準靜態試驗，試驗機量程為100 kN，測試速度為0.001～500 mm/min；按照GB/T 30069.2-2016《高應變速率拉伸試驗 第2 部分：液壓伺服型與其他類型試驗系統》在ZWICK 高速拉伸試驗機上進行材料動態力學性能測試，試驗機最大試驗力為50 kN，測試速度0.001～20 m/s，動態過程中應用高速攝像機拍攝試樣在動態試驗過程中的二維變形。試樣取樣方向沿軋制方向，樣品尺寸如圖1 所示。

圖1 樣品尺寸Fig. 1 Simple Size

測試項目包括HC420/780DP 在準靜態和動態共7 個應變速率（0.001、0.1、1、10、100、500、1 000 s-1）的拉伸試驗，每次試驗重復3 次。

1.3 試驗結果

試驗后得到HC420/780DP 高強鋼不同應變速率下的工程應力-應變曲線如圖2 所示。

圖2 不同應變速率下的工程應力應變曲線Fig. 2 Engineering Stress-strain Curves at Different Strain Rates

從圖2 中可以看出，應變速率低于1 s-1時隨著應變速率的增加，材料的力學性能基本保持不變；應變速率較大時，隨著應變速率的增加材料的強度與斷后伸長率均有所上升。隨著HC420/780DP高強鋼所承受的外載荷速率增加，鋼材晶體中位錯運動所需的加速度變大，因而運動位錯的速度也會隨之增加，導致高速拉伸下材料的位錯運動阻力較大。 在拉伸速度較低時材料的位錯運動與變形基本保持一致，因而力學性能變化較小；當拉伸速度增加時，位錯運動加速度增加，位錯運動阻力也隨之增加，因此當拉伸速度進一步增加時，材料的強度與延伸率有較為明顯的增幅[15]。

依據公式（1）將工程應力應變轉換為真應力-塑性應變曲線：

其中，εT為真實應變；ε 為工程應變；σT為真實應力；σ 為工程應力；εplastic為塑性應變；E 為彈性模量。

獲得真實應力-塑性應變曲線后，刪除頸縮點之后的數據，使用Matlab 編程將頸縮之前的數據采用Swift-Hockett-Sherby 模型對曲線進行統一擬合外推到1 的應變（取三條試驗曲線中居中的曲線），得到不同應變速率下外推后的真實應力-應變曲線，如圖3 所示。

圖3 不同應變速率下外推后的真實應力-應變曲線Fig. 3 Real Stress-strain Curves Extrapolated at Different Strain Rates

從圖3 中可以明顯看出，HC420/780DP 具有明顯的應變率效應，隨著應變率增加，材料的應變呈增加的趨勢，數據滿足各應變速率不交叉的條件。

2 動態性能數據材料卡制作

利用LS-PrePost 制作材料卡片，材料類型為MAT_24，輸入HC420/780DP 高強鋼的密度、彈性模量、泊松比等材料參數，并將應變速率為0.001、0.1、1、10、100、500、1 000 s-1的真應力-應變曲線導入LS-PrePost，所制成的HC420/780DP 高強鋼材料卡片關鍵字如圖4 所示。

圖4 HC420/780DP 材料卡片關鍵字Fig. 4 Keywords for Data Card of HC420/780DP

3 前縱梁碰撞模擬分析

3.1 有限元模型的前處理

建立前縱梁-保險杠的三維幾何模型，模擬試件采用與真實試件相同的設計尺寸。 使用HyperMesh 對其進行幾何清理與網格劃分，網格標準尺寸取5 mm×5 mm，控制最大尺寸為8 mm，最小尺寸為2 mm。由于雙相鋼具有良好的形變模式與較低的平均加速度，因此前縱梁材料選用HC420/780DP。 為了保護行人，保險杠材料選用HC220Y。

為保證模擬精度，在碰撞模擬研究中選取如圖5 所示的前縱梁-保險杠碰撞模擬的有限元模型進行碰撞模擬，前端采用共節點的方式焊接有1 330 mm×1 040 mm×220 mm 的前縱梁-保險杠結構，模型質量為935 kg （其中臺車質量為905 kg），模型網格數量為51 874 個殼單元，948 個體單元。臺車以4 m/s 的速度沿y 軸方向撞向剛性墻，碰撞過程總時長0.09 s。

圖5 前縱梁-保險杠碰撞模擬的有限元模型Fig. 5 Finite Element Model of Front Rail-bumper Crash Simulation

3.2 前縱梁正面碰撞分析

將HyperMesh 軟件中輸出的K 文件導入LSDYNA 軟件中進行求解，求解后的輸出文件再調入Hyperview 和Hypergraph 中進行后處理并輸出模擬結果。

圖6 為前縱梁-保險杠能量曲線，圖中可以看出，在碰撞的過程中，各能量曲線轉化穩定且平滑，沒有發生顯著變化，總能量守恒，動能逐漸轉化成內能，內能增加，動能減少。圖中沙漏能較低且恒大于0，沙漏能與總能量之比小于5%，符合模擬規定，可以認為模擬結果精度好，分析曲線圖可靠。

圖6 前縱梁-保險杠能量曲線Fig. 6 Energy Curves of Front Rail-bumper

圖7為4 m/s 速度下的前縱梁-保險杠碰撞加速度曲線。 其中黑色斷點曲線為碰撞模擬的加速度原始曲線，從曲線可以看出，原始數據存在一定程度上的波動，因此需要濾去波形中的高頻成分。 濾波采用SAE J211 中所規定的CFC 60 對原始數據進行處理后，可以看出由HC420/DP780 制成的前縱梁碰撞后加速度較低，可以更好的保護車內乘客。

圖7 前縱梁-保險杠加速度曲線Fig. 7 Acceleration Curves of Front Rail-bumper

4 結論

以高強鋼汽車板HC420/780DP 為例，試驗獲得了不同應變速率下的動態力學性能曲線，并建立了HC420/780DP 材料卡片，應用到前縱梁-保險杠碰撞分析中，得到了碰撞分析結果，研究結果表明：

（1）HC420/780DP 高強鋼的動態力學性能具有明顯的應變率強化效應，在應變速率較低時隨著應變速率的增加，HC420/780DP 力學性能幾乎不變；當應變速率大于1 s-1時強度與斷裂延伸率隨著應變速率的增加存在明顯增量。

（2）研究汽車用鋼在高應變速率范圍的動態力學行為，建立HC420/780DP 動態性能數據材料卡，為汽車輕量化合理選擇材料和車身安全性分析提供數據卡支撐。

（3）使用HC420/780DP 高強鋼高速拉伸曲線所制成的材料卡片可用于進行碰撞模擬，模擬結果顯示前縱梁碰撞后加速度較低，為安全性能分析提供參考作用。