汽车材料的高速碰撞材料卡片及其应用方法

实车碰撞一直是考核车辆被动安全性的权威方法，为了评价某车型并满足汽车安全标准，需要投入数百万美元进行数百次试验，使得汽车碰撞的计算机模拟成为整车开发的必由之路。

影响材料断裂的因素主要包括：塑性应变、加载类型（拉伸、压缩、剪切）、应变率、材料的离散性、非线性应变路径、网格大小和类型等等。

材料在不同的受力状态下，断裂特性是不一样的。举个例子，一块金属，很容易把它拉断，但是很难把它压坏。拉、压可以理解成是材料的一种应力状态。例如车用的薄板材料，一般可以用应力三轴度来描述其应力状态。在某个应力三轴度下，材料的断裂特性，用失效应变来表示。把所有的应力三轴度下的失效应变连成一条曲线，如下图所示。一般用这条曲线来描述材料的断裂特性。

1）常应变失效

在以前的碰撞仿真技术中，我们常使用单轴拉伸获得的断裂应变来评价材料是否发生断裂，这就是常应变失效准则。相当于用材料在单向拉伸受力状态下的失效特性表征所有受力状态下的失效特性。这就会导致一个问题——材料拉伸的时候容易断，但是在压缩的时候基本很难断裂，只使用拉伸的断裂应变来表达材料所有受力状态下的断裂应变，就会导致仿真中材料在压缩的时候过早发生断裂，与真实情况不符合。所以这种方法只是对实际复杂断裂特性的一种极简近似处理。一些仿真软件中已经在很多材料模型里增加了失效特性设置，我们最常见的是在MAT_024号材料模型中添加应变失效（plastic strain at failure），添加该参数之后可以理解成，应力三轴度-失效应变曲线为一条直线。

2）GISSMO

与常应变失效相比，GISSMO失效模型允许用户定义在不同应力三轴度下设置不同的失效应变，该模型可以比较好地模拟材料复杂的失效行为。通过设计材料试验，用以表征该材料在某应力三轴度下的失效应变，最后再通过曲线拟合，即可获得该材料完整的“应力三轴度-失效应变”曲线。

1) 材料试验

静态拉伸、动态拉伸(5种不同加载速率)、静态剪切、动态剪切、静态压缩、动态压缩、静态穿孔和动态穿孔，共计12个试验工况，考虑塑料材料的一致性相对较低，每个工况开展3-5次试验。

2）真应力-应变曲线转换

压缩跟剪切试验需要结合DIC技术进行应变监测，测试前需在样品表面制作散斑，穿孔试验一般无需测试应变。各试验样品如下图。

DIC喷斑图像采集方法可根据待测试件变形前后表面散斑图像的相关性来确定试件位移及变形的全场测量。通过相关函数对子区周围进行相关计算后得到各变形图像下各子区位移，进而可求解得到全场位移场及应变场，即可求得真应变。通过整个变形场的计算，可求得所测位置即时宽度，结合每幅变形图像对应载荷，即可求得测试位置真应力，进而得到真应力-应变曲线。

3）力学特性修正

为了模拟悬置在整车正面碰撞中的受力状态，设计悬置拉伸试验，对比仿真与试验的力-位移曲线发现，使用基础材料卡的仿真中获取的峰值力高于试验值。

原因分析：通过对悬置进行样条切割，发现悬置在成型过程中存在缩孔缺陷。缩孔使材料的力学性能有所削弱，为了模拟这种影响，应考虑对原材料卡片进行修正。由于缩孔是成型引起的，不同区域缩孔大小不一致，采用传统的等比例缩放不能有效地表征该性能，因此需要根据缩孔的分布特征，来对材料力学性能进行针对性的调整。

对悬置不同区域切割同样尺寸的试验进行三点弯和单轴拉伸试验，统计其屈服强度及失效应变的分布。根据分布规律分别对失效应变和屈服强度进行离散性处理。

4）碰撞仿真分析

在碰撞分析软件中将材料特性力学材料卡片和碰撞断裂材料卡片，同时带入碰撞分析中，可以准确预测材料变形及失效特性。

本文概述了汽车碰撞中常用断裂失效模拟方法；介绍完整的材料断裂失效卡片开发流程；最后，通过零部件的试验对标，展示该方法制作的材料卡片可准确模拟悬置在受到碰撞载荷工况下的断裂现象。综上，根据以上的方法及流程开发的材料卡片，可以对零部件断裂现象进行有效模拟，仿真结果对结构设计提供可靠的指导。