汽车用金属板材的材料动态响应与断裂性能探微

汽车用金属板材的材料动态响应与断裂性能探微

黄超俊，付显波，周扬恩，李华

浙江长江汽车电子有限公司，浙江温州，325025

摘要：文章对汽车用金属板材的材料动态响应特征以及断裂性能进行研究与分析，以汽车用金属板材采集料为切入点，以现有实验矩阵以及断裂模型为基础，尝试结合实际的开发过程以及对标实验结果，对汽车碰撞状态下金属板材材料所表现出的动态响应特征以及断裂性能进行研究与分析，对金属材料断裂模型的构建以及应用过程做出详细介绍，仅供参考。

关键词：汽车；金属板材；动态响应；断裂性能

    目前汽车制造领域呈现出轻量化趋势，对降低本行业能耗问题以及控制碳排放量有积极意义。我们可以尝试提高汽车用技术材料的强度水平，以减少金属材料用量以及零部件使用数量，从而控制车重，以满足轻量化设计要求。但轻量化设计并不意味着汽车使用安全性能的下降。我们需要的是在保障汽车结构安全的前提下，对金属板材材料强度进行提升，以保障零件自身抗冲击以及侵入能力达到满意状态。

1 动态响应

    对于汽车用金属板材材料而言，考虑其作为汽车零部件主要材料，在汽车发生碰撞状态下所对应的应变速率控制在0~500s范围内，为进一步获取材料力学性能，需要进行准静态以及动态模式下的力学性能测试试验，以评估金属板材材料受不同应变速率因素影响所呈现出的力学性能差异。在此过程中，考虑材料力学性能测定结果，在应变速率力学性能测试条件下，构建几何尺寸相同的有限元分析模型，并基于非线性回归方法对硬化模型参数进行拟合处理。通过对拟合参数结果的分析，对比不同权重系数所对应拟合曲线与试验曲线关系，确定权重系数的最佳取值，为0.1。同时，在参数最优准静态拉伸对标实验结果中，显示力-变形曲线仿真结果与实验结果有良好的重合性关系。并可以依据最佳权重系数取值方案，获取受不同应变速率因素影响所呈现出的汽车用金属板材材料应变曲线。

2 断裂性能

对于汽车用金属板材材料而言，韧性断裂是损伤积累的后果，受微观孔洞因素影响，导致微孔数量以及性状、体积在塑性应变以及应力租用下发生演化，导致微孔洞聚合连接部位出现裂纹，是损伤积累与演化的必然过程。有报道中显示，对于汽车用金属板材材料而言，其应力状态会直接影响韧性断裂性能。因此，需要形成复杂的碰撞过程应力状态，设计多种受力状态试样，通过反复实验测试的方式，获取金属板材材料的断裂性能特征。在进一步针对汽车用金属板材材料断裂性能进行研究的过程中，可以参考材料断裂性性能测试以及仿真分析结果，明确断裂实验状态下的等效失效塑性应变值以及应力三轴度参数。以热成型钢金属板材材料断裂实验为例，通过实验方式所获取应力三轴度以及等效失效塑性应变值结果如下：剪切实验应力三轴度为0.017，剪切试验等效失效塑性应变值为0.286；中心孔实验应力三轴度为0.483，剪切试验等效失效塑性应变值为0.372；R5缺口实验应力三轴度为0.439，剪切试验等效失效塑性应变值为0.415；R10缺口实验应力三轴度为0.366，剪切试验等效失效塑性应变值为0.493；杯突实验应力三轴度为0.666，剪切试验等效失效塑性应变值为0.516。

在此基础之上，进一步对汽车用金属板材材料断裂模型拟合结果进行分析，基于MMC断裂模型拟合，并引入软件进行优化计算，以获取对应断裂模型参数值，并在试验点与拟合曲线上表现出良好的相关性关系。通过仿真分析的方式，提示在应力状态影响下，数值模拟与断裂实验结果呈现出良好相关性关系，力-变形曲线表现出相同变化趋势，提示断裂时刻基本相同。并且在汽车用金属板材材料发生断裂后，宏观裂纹有相似形貌特征，提示所选用汽车用金属板材材料断裂模型能够较为准确的对多个应力状态下所显示热成型钢材料断裂失效行为模型加以反应与预测。有研究人员尝试对通过实验所获取力-位移曲线以及仿真结果进行对标分析，结果显示对于汽车用金属板材材料而言，最大值以及最大位移误差均控制在±10％范围内，提示仿真实验结果与力-位移曲线重合度良好。同时，通过对实验、仿真主要变形区域进行分析的方式发现仿真过程中基本完整的反应了三点弯实验条件下汽车用金属板材材料的变形行为，且仿真结果中提示实验破损区域汽车用金属板材材料有明显的单元破裂问题，提示整套本构以及断裂模型能够将汽车用金属板材材料变形特性、断裂特性充分反应出来。

3 结束语

    金属结构安全件被证实在汽车碰撞过程中发挥着决定性的安全作用。为确保汽车安全，需要围绕金属结构安全检查的动态变形行为以及断裂行为表征进行深入研究，以此种方式获取精准的仿真分析结果。本文上述分析中尝试针对汽车用金属板材材料在碰撞仿真分析过程中的变形响应问题进行研究，以热成型钢材料为例，构建专门材料分析模型，对材料断裂失效行为进行有效预测与评估，对标精度可达到95％以上，且经系统分析得出“整套本构以及断裂模型能够将汽车用金属板材材料变形特性、断裂特性充分反应出来”的结论，可以为汽车碰撞安全领域精准材料模型的构建提供参考与依据。

参考文献：

[1] 姜子涵,梁宾,姜亚洲,等. 汽车安全碰撞仿真的材料断裂卡片对比研究[J]. 汽车工艺与材料,2023(8):7-14.

[2] 常浩,郑颢,蔡永周,等. 汽车与行人碰撞中大灯断裂失效模拟的研究[J]. 汽车工程,2022,44(9):1437-1446.

[3] 冯毅,万鑫铭,周佳,等. 汽车用先进高强钢板材断裂性能研究进展[J]. 汽车工程学报,2023,13(3):273-297.

[4] 张新,苏丹丹. 超薄壁低烟无卤阻燃汽车线材料和导体预热工艺分析[J]. 汽车实用技术,2023,48(10):172-175.

[5] 刘宝玺,郑士建,林曾孟,等. 多层金属复合材料的应变局部化延迟和抗断裂失稳机理[J]. 中国材料进展,2024,43(1):35-45.