基于零件壓潰試驗加工硬化對吸能特性影響分析

王文龍，張翠杰，韓 燁

（1.河南工學院，河南 新鄉 453000；2.鄭州工業應用技術學院，河南 鄭州 451150；3.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院新鄉分院，河南 新鄉 453000）

1 引言

汽車零件在由原板加工成為零件的過程中，由于變形的發生，內部組織發生了一定的位錯運動，致使加工后零件的力學性能與原板發生了較大變化，即是存在加工硬化的過程[1]。而在進行零件安全性碰撞分析時，卻忽略了此部分因素的影響，導致分析結果與實際之間存在較大的誤差。因此通過施加預應變模擬材料的變形過程，獲取加工過程對材料性能的影響，進而嵌入到仿真模型中，對提升仿真分析的準確性具有重要意義。

國內外學者對此進行了一定的研究：文獻[2]獲取不同應變速率下的材料性能，基于此研究對前縱梁碰撞安全性的影響，結果發現應變速率有效提升了材料的強度；文獻[3]采用數值模擬分析方法，獲取應變速率對加工硬化的影響，結果表明隨著應變速率的增加材料的應變強化指標增加；文獻[4]采用施加5%預應變分析方法，獲取材料性能的變化及加工硬化的影響，預應變可有效改善材料的加工硬化；文獻[5]通過施加不同的力學性能影響系數，分析對碰撞安全性的影響規律，結果表明增加系數可改善低速率下的分析結果。

分析可以發現，目前的研究主要集中在應變速率對材料強度的影響，有效提升了仿真分析的準確性；而加工硬化的影響涉及較少，且以理論模型的研究為主，并未將此影響應用到實際的仿真分析中；同時，加工硬化在應變速率升高后進一步增強，應將二者綜合考慮，正是采用試驗和模擬相結合分方法進行研究。

以汽車用前防撞梁用QP980為研究對象，基于靜態試驗，對試樣分別施加0%、5%、10%、15%等的預應變，獲取對材料力學性能主要特征參數的影響規律；基于Hollomon方程，獲取加工硬化指數n的變化規律，根據分析結果，對方程進行修正，獲取加工硬化系數k，并將其嵌入到材料動態特性本構模型中；根據薄壁梁落錘壓潰試驗，采用試驗和仿真對比分析的方法，研究加工硬化對零件吸能特性的影響。

2 預應變對材料性能影響規律

2.1 材料力學特征

研究所采用的材料為汽車前防撞梁用材，QP980，厚度為1.6mm。根據GB228?2010 要求進行制樣，試樣尺寸，如圖1 所示。采用MTS810萬能試驗機，室溫下獲取材料力學性能[6]，選取軋制方向、橫向、45°方向進行編號為1、2、3，測試結果的力學曲線，如圖2所示。相關力學性能特征參數，如表1所示。

圖1 試樣尺寸Fig.1 Sample Size

表1 材料力學性能Tab.1 Mechanical Properties of Materials

圖2 不同方向力學性能曲線Fig.2 Mechanical Property Curve in Different Direction

由測試結果可知，材料的強度較高，材料的延伸率比較低，均值僅為14.06%，整個材料的力學性能曲線可以發現，無明顯的屈服平臺；具有較高的加工硬化指數，平均加工硬化指數為0.2，表明材料的成形極限曲線高，具有較好的拉脹性能；材料在三個方向上的力學性能差異較小，表明材料的各向異性不明顯。

2.2 預應變對性能影響

采用與靜態測試時完全相同的試樣和測試方法及設備。測試時，分別施加5%、10%、15%的預應變，在此基礎上，繼續拉伸直至試樣失效，每個預應變下進行五次重復試驗，獲取平均參數值。為評價材料的吸能特性，采用強塑積進行對比分析[7]，獲取方法為抗拉強度與斷后延伸率的乘積。獲得曲線，如圖3所示。參數，如表2所示。各參數變化曲線，如圖4所示。

圖4 各參數隨預應變的變化曲線Fig.4 Variation Curve of Various Parameters with Pre?Strain

表2 各工況下材料特征參數值Tab.2 Material Characteristic Parameter Value Under Various Condition

圖3 不同預應變下的力學曲線Fig.3 Mechanical Curves Under Different Pre?Strains

由圖中分析結果可以發現，材料強度對預應變較為敏感，隨著施加預應變的增加而顯著增加，屈服強度的變化趨勢明顯高于抗拉強度。

尤其是在5%預應變時，增加最為明顯，上升幅度最大，表明在此應變下材料內部位錯運動劇烈，材料加工硬化明顯。屈強比則整體呈現上升的趨勢，15%時預應變則達到了0.96，此時屈服強度和抗拉強度較為接近，具有小的屈強比的特征。從吸能角度考慮，可以發現塑性積與材料的斷后延伸率呈現出正相關，二者隨著預應變的變化趨勢保持基本一致，斷后延伸率的作用更為明顯。材料的加工硬化指數則變化趨勢較為復雜，隨著預應變的增加，先減小后增加的趨勢，材料表現出較強的加工硬化。

2.3 預應變對加工硬化的影響

材料的拉伸過程和加工制造過程可認為是在恒定較低變化速率下的變形過程，近似于靜態的變化過程。在此過程中，根據Hollomon方程[8]：

因此，根據圖3獲得的曲線，計算獲得材料的瞬時n值曲線，如圖5所示。

圖5 不同預應變下材料的n值變化Fig.5 Variation of n Value of Materials Under Different Pre?Strains

由圖中分析結果可知，預應變對材料的加工硬化具有較大的影響，在整個拉伸過程中，未施加預應變的情況下，n值在波動中逐漸減小，隨著預應變的增加，這種減小趨勢逐漸增大，表明隨著應變的增加，材料的加工硬化逐漸減弱。在施加預應變之后，材料在大應變區域內加工硬化有較明顯的增大趨勢，在此區域內表現出明顯的加工硬化現象。同時，施加預應變后，材料的加工硬化指數明顯降低。

基于此，可以對Hollomon方程進行修正，將材料不同變形階段進行區分[9?10]，式（1）可修改為：

3 對吸能特性影響

3.1 加工硬化系數

汽車零件進行碰撞仿真分析時，材料的力學性能本構模型通常采用Johnson?Cook模型進行描述[11]，表達式為：

3.2 基于落錘壓潰試驗對比分析

將材料制作成為帽形梁結構，試樣的長寬高尺寸為（60×80×350）mm，試樣，如圖6（b）所示。在落錘壓潰試驗試驗臺上開展沖擊試驗[12?13]，沖擊速度為10m∕s，試驗臺，如圖6（a）所示。試驗過程中采集壓潰力和試樣變形，試驗后試樣，如圖6（b）所示。

圖6 試樣和試驗臺Fig.6 Samples and Test Bench

根據試驗過程及試樣尺寸，基于HyperWorks建立落錘壓潰仿真分析模型，以式（4）所得的材料本構模型作為材料性能輸入，定義其他相關參數，基于LS?DYNA進行求解，分析模型和壓潰結束時刻模型，如圖7所示。

圖7 模型仿真分析Fig.7 Model Simulation Analysis

基于試驗和仿真模型，獲取整個過程中壓潰力、位移、吸能等的變化曲線，如圖8所示。結合試樣壓潰后的失效形式可知，壓潰過程中，材料吸能的過程也是褶皺形成的過程，壓潰力呈現出震蕩下跌的過程，達到第一個峰值載荷后，不斷衰減，整個過程中的能量則呈現遞增的趨勢。提取整個過程中主要的性能參數進行對比，如表3所示。

圖8 試驗和仿真結果對比Fig.8 Comparison of Test and Simulation Results

表3 材料吸能特性參數Tab.3 Energy Absorption Characteristic Parameters

由特征值對比可知，在落錘沖擊過程中，零件表現出了良好的吸能特性。根據結果對比，不考慮加工硬化的影響時，仿真結果與實際測試結果偏差較大，誤差在9%左右，而考慮加工硬化后，仿真結果與試驗結果變化趨勢保持一致，且特征值的誤差控制在3%左右；主要原因是，加工過程對內部組織的位錯具有促進作用，提高了材料的強度，而考慮加工硬化則是把此部分的影響加入到仿真分析中，因此與試驗測試結果貼合度更好。

4 結論

（1）預應變對材料力學特性具有較大的影響；隨著預應變的增大，材料的強度逐漸提升，而屈服強度變化的更快；

（2）材料的斷后延伸率和塑性積在不同預應變下的變化趨勢相同，且變化趨勢都比較明顯，整體呈現下降的趨勢；

（3）考慮加工硬化吸能特性分析結果與實際落錘壓潰分析結果更為接近，最大誤差在3%以內，表明模型仿真的準確性，進而說明嵌入加工硬化指數的準確性。