（机械工程专业论文）双相钢dp600高应变率力学本构模型研究及车身结构轻量化.pdf

摘受 摘要 随着眦界能源f 1 益紧张和环境保护意识的不断增强，汽牟轻莹化将足今后 很长一段时问i 匈汽车工业发展的主要方向，在汽车的设计阶段采用数值分析的方 法对汽车耐撞安令性、刚度、疲劳和振动噪声舒适性( n v h ) 进行分析，有效 地提出改进方案是缩短产品丌发周期、节约产品丌发成本j j ：之有效的方法。而保 证数值分析结果准确的重要前提是建立l f 确的有限元模型，采用能够描述车用材 料在各种变形速率下力学行为的本构模型，建立【f 确的零件之间连接火系等。为 了在汽车的刷撞安全性数值仿真中考虑不同应变率下材料变形的率敏感性，小文 选取汽车中常用的双相钢d p 6 0 0 为研究对象，对其在高应变率和低应变率卜进 行力学拉伸试验，分析材料的应变率相关特性和材料的各向异性特。忖。在此结果 基础上，基于般金属材料采用的本构模刑，建立两个适合于双相钢d p 6 0 0 应 变率效应的本构模型修i f 的k h a n h u a n g 模型和混合k h _ j c 模型，并对两个 模型进行比较。 将建、 的修正的k h a n h u a n g 模型写成积分形式，编制用户材料子稗j f ， 并与有限元软件a b a q u s 接，通过对均匀应力状态下材料的变形特性和试样 在5 0 0 s 。，11 0 0 s 。1 和1 6 0 0 s 1 三个应变率r 的拉伸过程进行数值模拟，并与试验 结果进行比较，验证了本文建立的有限元模型和编写的有限元程序能够描述双相 钢d p 6 0 0 在高应变率下的力学行为，为进一步在整车的碰撞过程中考虑材料的 应变率相关性提供了更加准确的材料模型。 在汽车的酬撞安仝性，疲劳和刚度等特性满足的条件下，汽车的振动、噪 声利舒适性特性直接影响产品的竞争力，如何在汽车轻量化的同时保证汽车各项 性能不降低足十分意义的研究。本文在国家8 6 3 项目子课题的资助卜，基+ 数值 分析的方法，分别对奇瑞t 1l 原车的刚度，模态、声学模态及2 0 0 h z 以内车身 频率响应进行分析，在此基础上，根据零件对哞i 身刚度及n v h 特性贡献度人小， 提出白车身轻量化6 2 0 的方案，通过村轻景化前后车身| ) ! | 0 度、频率响应进行比 较以及对轻量化f | i 后样车的刚度，模态进行试验比较，结果表明在车身减轻 2 1 7 1 k g 的同日、j ，由于零件厚度的取法更加合理，车身的刚度较原牟提高6 8 5 ， 车身的关键模态频率较原车基本保持不变。由于证明，采用数值分析的方法可以 在产品的设计阶段对结构的各项性能进行研究和优化设计，从而达到减少物理试 验，缩短产品丌发周期和节约产品开发成本的1 4 的。 关键词：应变率相关性，本构模型，v u m a t 车身刚度，n v h ，频响分析，轻蕈 化 摘蛰 a b s t r a c t w i t ht h e s h o r t a g e o ft h e e n e r g ya n dt h ee n h a n c e dc o n s c i o u s n e s so ft h e e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，t h el i g h t w e i g h to f t h ea u t o m o b i l ew i l lb et h em a i nd e v e l o p i n g t e n d e n c y i nt h ed e s i g np h a s eo ft h ea u t o m o b i l e ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h e c r a s h w o r t h i n e s s ，s t i l l n e s s ，f a t i g u ea n dn v h ( n o i s e ，v i b r a t i o na n dh a r s h n e s s ) i sag o o d m e a s u r et os h o r t e nt h ep e r i o do ft h ed e s i g n i ta l s oc a nr e d u c et h ep h y s i c a lt e s t sa n d s a v et h ei n v e s t m e n t h o w e v e r , t h e r ea r em a n yi m p o r t a n tf a c t o r st oi n f l u e n c et h e c o r r e c t i o no ft h en u m e r i c a lr e s u l t ss u c ha st h eq u a l i t yo ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t h e c o n s t i t u t i v em o d e lf o rt h em a t e r i a l s ，c o n n e c t i o nm o d eb e t w e e nt h ep a r t sa n ds oo n t o o r d e rt oe s t a b l i s ht h ec o n s t i t u t i v em o d e lt od e s c r i b et h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h e m a t e r i a l si nt h ec r a s hp r o c e d u r e ，t h et e n s i l ee x p e r i m e n ta th i g hs t r a i nr a t ea n dl o w h i g hs t r a i nr a t ew e r ec o n d u c t e di n t h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， t h es t r a i nr a t ee f f e c ta n dt h ea n i s o t r o p i cb e h a v i o rw e r ed i s c u s s e d t h e nt w o c o n s t i t u t i v em o d e l sf o r t h ed p 6 0 0t a k i n ga c c o u n to ft h es t r a i nr a t ee f f e c tw e r e e s t a b l i s h e db a s e do nt h eg e n e r a lc o n s t i t u t i v em o d e lf i t t i n gt ot h ed u c t i l em a t e r i a l s t h e ya r em o d i f i e dk h a n h u a n gm o d e la n dh y b r i dj c - k hm o d e l ，r e s p e c t i v e l y t h e c o m p a r i s o nf o rt h et w om o d e l sw a s i n t r o d u c e d t h e n ，t h ei n t e g r a le q u a t i o nf o rt h em o d i f i e dk h a n - h u a n gc o n s t i t u t i v em o d e lw a s g i v e n t h eu s e rm a t e r i a ls u b r o u t i n el i n k e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea b a q u s w a sp r e s e n t e d t h et e n s i l es i m u l a t i o nf o rt h es p e c i m e n sa ts t r a i nr a t e5 0 0 s ，ll0 0 s 。1 a n d16 0 0 s w e r ec o n d u c t e dt ov e r i f yt h ec o r r e c t i o no ft h ec o n s t i t u t i v em o d e l t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n s t i t u t i v em o d e la n dt h eu s e rm a t e r i a ls u b r o u t i n ec a nd e s c r i b e t h em e c h a n i c a lb e h a v i o r so ft h ed u a lp h a s es t e e l6 0 0a tt h er a n g eo ft h es t r a i nr a t e f r o m10 _ 4 s 1t o10 3 s t h i sc o n s t i t u t i v em o d e lc a nb ee m p l o y e dt od e s c r i b et h e m e c h a n i c a lb e h a v i o ro f t h eh i g hs t r e n g t hs t e e li nt h es i m u l a t i o no f t h ec r a s hp r o c e s s w h e nt h ed e s i g np r i n c i p l e sf o rt h ec r a s h w o r t h i n e s s ，f a t i g u ea n ds t i f f n e s sa r e s a t i s f i e d ，t h eb e h a v i o ro ft h en o i s e ，v i b r a t i o na n dh a r s h n e s sw i l lh a sg r e a ti n f l u e n c eo n t h eq u a l i t yo ft h ea u t o m o b i l e i ti sv e r yi n t e r e s t i n gw o r kt h a tt h eb e h a v i o ro ft h e c r a s h w o r t h i n e s s ，f a t i g u e ，s t i f f n e s sa n dn v hc a ns u s t a i nw h e nt h ew e i g h to ft h e a u t o m o b i l ei sl i g h t e d b yu s i n gt h en u m e r i c a lm e t h o d t h es t i f f n e s s f r e em o d ef o rt h e s t r u c t u r ea n dc a v i t ya n dt h ef r e q u e n c yr e s p o n s ew e r ea n a l y z e df o rt h es u vt i1m a d e b yc h e r ya u t o m o b i l ec o m p a n y a c c o r d i n gt ot h ep a n e lc o n t r i b u t i o no ft h es t i f f n e s s a n dn v hb e h a v i o r , t h eo p t i m i z a t i o np l a nf o rt h eb o d yo fw h i t e ，w h i c ht h ew e i g h to f 摘要 _ r _ - _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - 。- _ - _ - _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ - 一 t h eb o d yd e c r e a s e d6 2 0 ，w a sp r o p o s e d t h ec o m p a r i s o no ft h en u m e r i c a la n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t sb e t w e e nt h e o r i g i n a lb o d y a n d l i g h t w e i g h t i n gb o d y w a s c o n d u c t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb e n d i n gs t i f f n e s si s h i g h e rt h a nt h a to ft h e o r i g i n a lb o d y t h et o r s i o na n db e n d i n gm o d e sh a v el i t t l ec h a n g ec o m p a r i n gw i t ht h a t o ft h eo r i g i n a lo n e f r o mt h ea n a l y s i s ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sav a l i dm e a s u r et o e v a l u a t eo ft h eb e h a v i o ri nt h ed e s i g np h a s eo ft h ea u t o m o b i l e i tc a 3 _ r e d u c et h e p h y s i c a lt e s t ，s h o r t e nt h ep e r i o do ft h ed e s i g na n ds a v et h ei n v e s t m e n to nt h ep r o d u c t d e s i g n k e y w o r d s ：s t r a i nr a t ee f f e c t ，c o n s t i t u t i v em o d e l ，v u m a t ，s t i f f n e s so ft h eb o d y , n v h 仔e q u e n c yr e s p o n s e ，l i g h t w e i g h t i n g 2 第节绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 近十儿年来，随着汽车工业的不断发展，人们对汽车的驾驶安全性要求越 来越高，在汽车设计中除了满足国家以及其它国家耐撞安全性的法规的要求以 外，对汽车在其它工况下的性能要求也越来越高，汽车碰撞安全性的提高往往不 町避免的增加汽车的重量。但是随着世界环境保护和石油资源的不断减少，汽车 的轻量化逐渐成为现存乃至今后很长一段时间内汽车 业发展的主要方向。统计 表明，汽车的重量与燃油之间存在密切的火系，整车的重每减轻1 0 ，燃油的消 耗将降低6 8 。为了降低汽车的重量，越来越多的新材料包括大量的高强度 高韧性的钢板逐渐在汽车中使用。双相钢d p 6 0 0 具有较高的屈服强度和吸能特 性，是目前在汽车工业中采用的比较多的高强度材料之一。 采用数值分析和虚拟仿真方法在汽车的早期研发阶段进行耐掩安全性、刚 度、n v h 和疲劳等特性进行分析越来越成为汽车研发的一个重要环节。特别是 在汽车的早期设计阶段，如果能够比较准确地对汽车在各种载荷条件卜车身的力 学响应进行模拟，及时有效地更改结构设计，将可以最大限度降低凶设计带来的 缺陷，从而减少产品发计定型之后的修改而带来的巨大的经济损失，同时，叮以 减少物理实验地次数，缩短大量地产品开发周期，人量节约产品丌发成本。随着 我国自主研发汽车的能力的不断提高，在汽车地早期设计阶段引入c a d 和c a e 技术，通过对进 j ：大量地数值分析，为设计提供指导具有更加重要的意义。 对汽车结构进行比较准确的有限元数值分析，特别是在汽车的整车碰撞中得 到比较精确的结果，建立能够描述材料在巧i 同应变率t - 2 学行为的奉构模型十分 关键，近几十年来，研究者对不同材料在不同温度和高应变率下进行多大量的研 究，但是研究的材料主要集中复合材料，铝合金钛合金等具有特殊用途的材料， 汽车用材料特别是不断发展的先进的高强度钢如双楣钢，t r i p 钢在高应变率下 的研究涉及不是很多，本文第一部分内容主要针对汽车用双相钢d p 6 0 0 在碰撞 过程中经常承受的应变率范围内的力学特性进行研究，通过对材料在高应变率和 低应变率下进行拉伸实验，讨论材料的变形的率相关和各向异性特性，在此基础 上建立两个适用于d p 6 0 0 在低应变率和高应变率下材料力学行为的本构模型， 通过与商用有限元软件接口，能够比较真实地描述材料的力学特性。 1 2 国内外研究现状 建赢适用于描述村料力学行为的本构模型一般分为两个阶段，其一是材料力 第一章绪论 学性能进行力学实验，得到捕述材料真实力学行为的应力应变关系，在此基础上， 建立能够描述材料力学行为的本构模型，并通过与商用有限元软件接口，从而能 够对材料和结构的力学行为进行研究，比较真实地反映材料在不同麻变率f 的力 学特性。研究表明，在拉伸应变率超过1 0 s 一，由于试样内应力波的来回反射， 使得测试结果不能真实反映材料的力学行为，因此在高应变率下材料的拉伸实验 不能采用一般静力学拉伸实验设各，必须发展新的实验设备，就目前的研究来讲， 大体有六种主要的实验设备方法：同轴分离式h o p k i n s o n 压杆设备( t h ec o a x i a l s p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a rm e t h o d ) ，异轴分离式h o p k i n s o n 压杆设备( t h en o n a x i a l s p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a rm e t h o d ) ，一杆法( o n eb a rm e t h o d ) ，s e n s i n gb l o c kt e s t i n g s y s t e m ，准静态伺服测试系统( h y p r a u l i cs e r v om e t h o d ) 和杆杆拉伸实验设备冲击 ( b a r b a rt e n i s l ei m p a c tm e t h o d ) 。 高应变率下的力学实验一般采用分离式h o p k i n s o n 压杆设备( s p l i th o p k i n s o i l p r e s s u r eb a r ( s p h b ) 进行实验。通常认为，波形弥散，试样的纵向和横向惯性 效应和导杼与试样之间的阻抗失配足引起不均匀性和应力多轴性的主要因素，特 别是s h p b 实验中试件与端面的磨擦效应，1 9 4 9 年，k o l s k y 对于长径比为o 0 5 的薄试件引入了惯性修正的方法，得到了现代高应变率载荷条件下的分离性 s h p b 设备。在上世纪6 0 年代和7 0 年代，为了不断提高和完善该设备的技术 和不断拓展该设备的使用范围，大量研究者进行大量的实验和理论工作，b e r t h o l f ( 1 9 7 4 ) 瞄和b e r t h o l f 和k a r n e s ( 1 9 7 5 ) ”3 建立了s h p b 一维轴对称模型，并研 究了试样的形状与输入杆和输出杆之间的摩擦系数对实验结果的影响，给出了试 样与s h p b 测试系统之间的匹配关系，使实验结果在小摩擦下测试结果更加有 效，b e r t h o l f 的工作为s h p b 测试技术的发展奠定了理论的基石。现在，s h p b 及在其基础上刁i 断发展的相关设备在材料的高应变率动态性能测试方面占有主 要的地位。 在过去的儿十年里，许多研究者采用s h p b 对材料在不同温度和不同应变率 载荷条件下进行大量的研究，p h i l i p p a r t 和r a c k ( 1 9 9 8 ) ，l e e 和l i n ( 1 9 9 8 ) ， n e m a t n a s s e r ，g u o 和c h e n ( 1 9 9 9 ) 研究t i 合金在1 0 。到8 0 0 0 s 。1 应变率范围内 材料的变形和断裂特性【4 _ “，z h u ，l i 和l i n ( 2 0 0 2 ) 以及复合材料g f p p 率变形 特性”1 ，g u d e n aa n dh a l l ( 2 0 0 0 ) 研究连续单方向a a 1 2 0 3 纤维增强铝基复合材料 在1 0 。t o7 0 0s 。应变率范围内材料的力学行为，在该方向上与最大应力相关的应 变率以及纤维屈曲应力之间的关系被讨论”1 ，o o s t e r k a m p ，i v a n k o v i c 和v e n i z e l o s ( 2 0 0 0 ) 8 1 研究了两种铝合金材料a a 6 0 8 2 和a a 7 1 0 8 在0 1t o3 0 0 0s _ 应变率范 围内以及不同温度下材料的力学行为进行研究，中应变率载荷条件下实验通过采 用计算机控制的伺服液压实验机完成，5 0 0s o 高应变率下实验采用s h p b 完成。 l e e ，k i ma n dp a r ke ta t ( 2 0 0 2 ) 给出了碳钢在温度为7 0 0 11 0 0o c ，应变率在3 0 0 0s o 2 第一章绪论 热变形下流动应力预测研究“；u e n i s h i ( 2 0 0 4 ) 。“1 采用一杆法研究了在较大应 变率范围内i f 钢( i n t e r s t i t i a l f r e es t e e l ) 硬化工特性，所有这些研究表明无论是 金属材料还是复合材料在低应变率下和高应变率下往往都具有明黟不同的力学 特性，因此如果材料在高应变率下变形，在对其力学行为进行描述时材料的率相 关特性必须得考虑。 中国科技大学夏源明教授1 9 9 2 自行研究设计了旋转盘式杆一杆拉伸冲击实 验设备( b a r - b a rt e n s i l ei m p a c ta p p a r a t u s ，b t i a ) “，该设备的实验原理与s h p b 基本相同，同时该设备采用锚试样控制高速拉伸应变率的大小，并对产生的高速 冲击波具有滤波的作用，使得测试结果中抖动很小，实验结果可靠。同时，w a n g ( w a n g ，1 9 9 6 ；w a n g 和x i a1 9 9 6 ，2 0 0 0 ；w a n gw a n 和x i a1 9 9 9 ) “在理论上和一 维有限元数值分析的方法验证了该实验设备的正确性和合理性。采用该设备， x i a , w a n g 和y a n g ，1 9 9 3 等研究者对金属材料，复合材料以及一些特殊材料的高 应变率卜j 的力学行为进行研究，得到很多有用的结果”“1 。 1 9 9 4 年，高玉华“1 等人对航天航空采用a 1 l i m n 合金同时考虑在动态拉伸和 动态压缩下进行实验研究，揭示了不吲加载形式的应变率相关特性，研究表明， 1 0 。nj o s s 4 应变率范围内a 】l i m n 合会的力学参数对应变率不敏感，失稳载荷在 冲击载荷下略有降低，表现微弱的冲击脆性现象。2 0 0 0 年刘希国等人采用s h p b 技术对纤维增强复合材料裂纹的动态起裂行为进行实验研究”“，采用芯片的方法 确定裂纹的起裂时间，分析了冲击载荷下裂纹起裂和扩展方式以及铺层角度对起 裂和扩展的影响。王保林，韩杰才和杜善义( 1 9 9 8 ) 等人对于非均匀复合材料中多 个裂纹的动态断裂力学问题，假设复合材料为正交各向异性并含有多个垂直丁 厚度方向的裂纹，材料参数沿厚度方向为变化的，沿该方向将复合材料划分为许 多单层，分析了材料参数的优化对降低应力强度因子的意义。佟景伟等人( 2 0 0 i ) 利用分离式扭一托复合加载h o p k i n s o n 杆装置”“，在2 0 和5 0 0 r 研究了温度 对高应变率扭拉复合加载下铁基形状记忆台金本构的影响实验结果表明：该 材料在高应变率扭一拉复合加载f 的名义剪切屈服强度、剪切强度极限和名义拉 伸屈服极限、拉伸强度极限均随温度的升高而降低拉伸和扭转之州具有相互耦 合作用。刘建秀( 2 0 0 3 ) 通过实验得出铜基粉末冶金摩擦材料在高应变率下的应力 应变曲“。在分离式h o p k i n s o n 压杆( s h p b ) 上进行了该材料在1 0 2 s 1 0 卜s1 应 变率范围内的冲击实验。通过分析动态和静态实验曲线，发现该材料在应变率3 0 0 s 。1 和准静态时有应变硬化效应，但在5 0 0 s 。以上却反映出应变软化效应，得出该材 料为含损伤非线性粘弹塑性材料，提出用适应于脆性材料的粘弹塑性模型和粘塑 性项的组合本构模型来拟合该材料应变弱化段的本构方程。所得结果u ，推广应用 于类似烧结合会的材料。2 0 0 4 年，彭刚等人基于分离h o p k i n s o n $ 的反射式纤维 增强复合材料动态拉伸实验技术进行了研究讨论”，对加载杆中可能影响拉伸应 第一章绪论 力波波形实验分析的所有千扰波进行了较系统地定量分析研究，认为产生于试样 端头与加载杆界面处的两主要十扰波对希望得到的应力波的测量和判别具有严 重的不利影响，因此拉伸实验设计必须避开该主：扰波的重叠影响，同时针对复 合材料动态拉伸实验技术的若干问题诸如干扰波的规避、冲音彳信号合理测点的选 取、加载枰长度匹配、复合剌料拉伸试样的设计要求以及加载连接等问题提出了 一些处理方法和建议。 韧性材料的有限变形、损伤以及破坏过程往往会出现材料内变形局部化和剪 切带的生成，这些过程往往与材料的应变、应变率以及温度等因素有关，但是在 本构模型中同时考虑这些因素是极其困难的事情，自从t a y l o r ( 1 9 4 2 ) ”7 1 和 k a r m a n ( 1 9 5 0 ) ”开创性工作以来，大量的研究者在材料高应变率下实验和本构 模型等方面进行大量的工作。根据描述材料的性质，特性等不同b o d n e ra n d p a r t o m ( 1 9 7 5 ) ，c h a b o c h e ( 1 9 7 7 ) ，j o h n s o na n dc o o k ( 1 9 8 3 ) ，y a oa n dk r e m p l ( 1 9 8 5 ) ， z e r i l l ia n da r m s t r o n g ( 1 9 8 7 ) ，b r o w n ，k i ma n da n a n d ( 1 9 8 9 ) ，z h a o ，s u na n dk u a n g ( 1 9 9 7 ) ，k h a na n dh u a n g ( 1 9 9 2 ) 先后建奇：了适合描述材料的本构模型”“。，并结果 不断改进，这些模型在对不同制料的高应变率力学特性进行研究时起到极其重要 的作用。 一个理想的适用于材料在低应变率和高应变率下材料的力学本构模型应该 考虑应变率相关性，温度相关性，且能描述材料的应变率和应变随载荷的历史过 程，但是完整考虑这些因素是不可能的，因此在建立本构模型时必须进行一定的 简化，同时在本构模型数值化的过程中，还需要尽可能的降低模型中材料参数的 个数，并且建立的模型具有比较好的收敛性。目前在材料高应变率研究中的本构 方程研究中，参数个数很少且比较容易在数值分析中实现的本构模型一般为以下 四个模型，j o h n s o n c o o k 模型，z e r i l l i a r m s t r o n g 模型，b o d n e r p a r t o m 模型和 k h a n h u a n g 模型。其他的高应变率下材料本构模型女f l m e c h a n i c a lt h r e s h o l ds t r e s s ( m t s ) m o d e l 等，由j i 模型中材料参数过多，比较难于在数值计算中实现。 1 9 8 3 年，j o h n s o n c o o k 提出适用于一般金属材料在大应变，高应变率和高 温f 本构模型，该模型由于结构简单，材料参数容易在实验中获得且具有明确的 物理意义，并且很容易在有限元软件中实现，很多研究者采用该模型对金属材料 的力学性能进行研究，为了得到更好的与实验结果一致的结果，基于该模型的很 多不同形式的修正模型出现。j c 模型比较适合用于描述o f h c 铜或镍合会 ( f o l l a n s b e e ，1 9 8 6 ；f o l l a n s b e e ，e ta 1 ，1 9 9 0 ) 等塑性硬化过程逐渐增加的材料高应变 率特性，而对于随着应变率增加材料的功硬化降低或者保持常数的材料如 t a n t a l u m 等材料不适用。但是对于随着应变率增加硬化特性略有增加的钢或者铝 合金等材料，j c 模型对它们特性描述也具有比较好的吻合度。正是由于这些优点， j o h n s o n c o o k 被很多研究者用来进行大量的研究( l e ea n dy e h1 9 9 7 ；r u l e ， 第一窜绪论 w i l l i a ma n dj o n e s ，19 9 8 ；d a r i d o n ，o u s s o u a d d ia n da h z i ，2 0 0 4 ；s e o ，m i na n dy a n g ， 2 0 0 5 ) 【4 “4 ”，由于该模型中只有五个材料参数，而月它们比较容易从实验曲线中 获得，并且它能够实现数值化，因此在商用有限i 软件a b a q u s 和l s d y n a q ， 都有该模型的材料本构模块i “4 5 l 。 1 9 8 7 年，z e r i l l ia n da r m s t r o n g 提出的基丁均匀力学本构模型同时考虑了材料 的应变硬化，应变率硬化和热效应软化等因素，该模型主要适用于f c c ，b c c s u h c p 结构，相对于其它基于均匀力学的本构模型，该模型具有比较简单的表达形 式，该模型对于b c c 年! i f c c 两种不同形式的晶体结构本构模型也具有两种不司的 形式。但是由于该模型中功硬化率与温度和应变率的影响是相互独立的，而对于 大多数金属材料，材料的功硬化率实际是与温度和应变率效应相关的，因此该模 型不适合于描述功硬化率与温度和应变率具有强相关性的材料。 1 9 7 5 年，b o d n e ra n dp a r t o m 建立套奉构模型描述任意载荷条件下大变形弹 粘塑性应变硬化特性。该模型的主要特征是将总的变形率分解为弹性和非弹性部 分，它们是状态变量的函数，该模型对应变率不是很敏感的材料，对于理想塑性 的材料的硬化过程具有比较好的模拟。但是对于具有比较强的硬化过程的材料， 必须对该模型进行修正，同时该模型中没有考虑温度的影响。1 9 9 4 年，b o n d e r a n d r u b i n 对b p 模型进行修正，使其能够比较好的描述强硬化材料的力学行为。 b o d n e ra n dr a j e n d r a n ( 1 9 9 5 ) 1 4 6 j 在b p 模型中加入温度的影响，使其能够更好的描 述铜的率相关效应。但是，在对b p 本构模型的修正的同时，不可避免的增加了 模型中材料参数。 1 9 9 2 年，k h a n h u a n g 在研究1 1 0 0 铝合金在1 0 4 至1 0 4 s 。应变率范围内力学特性 时提出一个新的奉构模型能够描述材料的比较大的有限变形强硬化特性的力学 特性。k h 模型采用的基本假设于b p 模型基本相同，通过参数定义不同可以用来 描述材料的强硬化力学特性。在对1 1 0 0 锚合金的率相关效应进行研究时，得到的 结果基本与j o h n s o n c o o k 模型基本一致。相对于b p 模型，k h 模型能够更好的描 述强硬化特性下材料的力学行为，但是与b p 一样，最初的k h 模型中也没有考虑 温度的影响，因此，后来的研究者在对该本构模型修诉叫加入了温度的影响。 日1 于高强度钢在较大地应变率范围内( 1 0 3s 。) 变形均具有良好的塑性特性， 酬对具有良好的吸能性，因此在汽车的车身结构中相列j ：其它材料，钢材具有更 广泛的使用。研究表明，高强度钢具有明显的率相关效应，为了在汽车碰撞的数 值仿真过程中得到比较准确的结果，材料的率相关效应必须应该考虑。近年来， 国外的研究者在高强度钢的率敏感效应等方面也开展了一些工作，t a k a g i ( 2 0 0 5 ) 1 4 7 1 采用六种不同的实验设备对s h p b 材料在l o 。1 0 ”s 。内的测试结果进行比较，研 究表明，当测试应变超过5 以后，六种不同的测试设备得到的结果基本一致， 而对于应变小于5 情形，在应变率为1 0 3s 。测试结果与实验设备相关。这丰要可 第一章绪论 能与实验设备的灵敏度和应变率的稳定程度相关。通过对实验设备的调试，应该 能够在整个应变测试范围内均能达到比较、致的结果。c h e n ( 2 0 0 5 ) 1 4 8 i g , j _ d p 7 8 0 ， t r i p 7 8 0 和d p 9 8 0 等几种高强度钢在不同应变率下压溃和弯曲进行实验，并采用 有限元方法对材料的应变率，零件的尺寸，焊接方式和成型性进行讨论，结果表 明，准静态拉伸下拉伸强度较大的材料在动态拉伸下也具有比较高的相同的性 质，同时，材料的动念压溃最大压溃力等其它变量与材料的静态和动态拉伸基本 早线性关系。对于先进的高强度钢，应变率硬化特性具有类似的性质。o s o s k o v ( 2 0 0 5 ) 【4 叫刘双相钢d p 6 0 0 在室温下进行准静态实验，并材料晶体塑性理论和 r i c e - t r a c e y 损伤模型对材料在变形过程中的损伤破坏机理进行研究。研究表明， 利料内的损伤开始主要出现存铁素体与马氏体之州的界面j ：，和其它材料样， 双, 相锦 d p 6 0 0 最后的损伤破坏也是由于材料形核的微孔洞长大以及长大到一定 程度后聚合形成微裂纹造成。 综l 所述，自1 9 4 9 年k o l s k y 提出现在高应变率实验采用的分离式h o p k i n s o n 实验机以来，尽管研究者对不同材料在不同温度，高应变率和低应变率下进 j ：大 量的实验，但是目前仍然没有统一的模型来描述材料在高应变率f 力学行为，对 于汽车用先进的高强度钢的率相关效应的研究开展的实验和本构模型方面工作 不多。为了在汽车碰撞数值模拟过程中考虑材料的率敏感效应，建立材料参数少， 易于实现与现在有限元软件接 】的本构模型对提高碰撞数值仿真精度具有重要 的意义。 1 3 本文研究内容 在美国g m 公司r & d 资助上，本文主要对d p 6 0 0 薄板在应变率为1 0 。4 到 1 0 ”s1 范围内进行拉伸实验，在此基础i 二给出考虑应变率效应d p 6 0 0 本构模型， 并将其写成积分形式，通过与商用有限元软件接口，可以实现在对汽车整车或零 件进行碰撞模拟。具体研究内容如下： 1 在双相钢薄板上按材料的轧制方面，垂商f 轧制方向和4 5 度方向分别 取试样在应变率为l o 、1 0 一、1 0 、5 0 0 ，1 0 0 0 和1 7 0 0s o 进行拉伸实验， 根据实验结果分析材料的弹性材料参数和塑性硬化曲线，以及材料的各 向异性对塑性硬化的影响，初步给出双相钢材料在低应变率和高应变率 下材料率相关效应。 2 在实验结果的基础上，基于k h a n h u a n g 模型和j o h n s o n c o o k 模型，分 别建立适合于双相钢d p 6 0 0 本构模型，并对模型进行比较。 3 将建立的修正的k h a n h u a n g 模型写成积分形式，编写与软件接口的用 户材料子程序，与商用有限元软件接口，分别采用均匀应力状态和高应 变率下试样在应变率为5 0 0 ，11 0 0 和1 6 0 0s 。下拉伸过程进行模拟，通 第一章绪论 过与实验结果埘比，校验本文建立本构模型和编写的有限元软件接| 的 程序是正确的，能够真实反映双相钢d p 6 0 0 在高应变率和低应变率卜材 料的力学 j 为。 第一幸双相钢d p 6 0 0 小间心煲半p 拉伸实验分析 第二章双相钢d p 6 0 0 不同应变率下拉伸实验分析 为了建立能够描述双相钢d p 6 0 0 在不同应变率f 力学行为的本构模型，本章 主要刈材料在低应变率和高应变率载荷条件f 进行力学实验，分析材料在个列应 变率下材料应变率相关特性、各向异性特性以及材料的弹性材料参数。由于汽车 用的零件多是薄板件，在压缩载荷作用下试样容易产生屈f f n ，敝材料实验均施加 拉伸实验载荷。根据汽车碰撞过程巾经历的应变率范围，本文的研究中，应变率 的范围取1 0 4s “到1 0 3s 。 2 1 实验原理 研究表明，在拉伸应变率超过1 0 s “时，继续采用一般的准静态拉伸实验机进 行实验，由于拉伸应力波在试样中来回反射，造成测量结果r f _ i 应力应变曲线出现 很大的抖动，很难真实反应材料的力学行为，因此对高应变率和低应变率下材料 实验采用不同的设备。本文的研究中，低应变率下拉伸实验采用的设备是m t s8 0 9 a x i a l t o r s i o n a l 测试系统，载荷采用位移加载形式。数据的输出是采用计算机输出， 输出的数据包括时问，轴向载荷，轴向位移和轴向应变。轴向工程应力由载荷与 试样横截面面积之比得到。不同的应变率下试样的加载速度由试样的平行段的长 度与应变率的乘积得到，在本文的研究中，试样中心平行段的长度为7 5 r a m ，低应 变率下取1 0 ，1 0 q 和1 0 4s ，故对应于试样的位移拉伸速度分别为7 5 m r r d m i n ， 7 5 m m m i n 和0 7 5 m m m i n ，如图2 1 。 e t 5 0 _ 1 ：三蛰、 = d j 对于高应变率实验，近几十年来，研究者不断开发出各种各样的测试高应变 率的设备，对于高应变率下材料的拉伸实验，b a r - b a r t e n s i l ei m p a c t a p p a r a t u s ( b t i a ) 是一种主要的形式，中国科技大学夏渊明教授等人开发的杆一杆拉伸实验设备 第一市疆相钢d p 6 0 0 小衄，叠牵下拉伸实验分析 ( b a r - b a r t e n s i l ei m p a c t a p p a r a t u s ，b t i a ) ，通过对大量材料在不同应变率下进行拉 伸实验结果表明，该设备具有良好的稳定性。本文高应变率下材料的拉伸实验采 用凌设备进行。 b t i a 实验的设备的工作示意图如图2 2 所示。当旋转盘上的冲击锤1 以高速 冲击金属块2 时，位置3 圆棒铝试样瞬问出现破坏，同时在输入杆中产生个矩 形输入应力方波，同时由于铝试样的塑性变形不是很大，在很小的延伸率下材料 出现破坏，困产生的应力波直接沿输入杆4 向试样传播，铝试样的破坏在应力波 的输入方而起到很好的滤波作用，这样使得产牛的输入应力波l 分光滑，从而可 以提高实验的精度。与静态实验输出数据相同，高应变率下实验数据采片j 计算机 直接输出加载的时| = l j ，工程应力，工程应变和应变率。记录的应变率足试样变形 过程巾真实应变率，应变率随着载荷的增加迅速增加，在增加到给定的应变率时， 在一段时问那应变率基本保持定值，我们取浚平台的平均值为这次实验的应变牢。 图2 2b t i a 实验机的1 作示意图 f i g 2 2s k e t c ho f t h eb t i ae x p e r i m e n t a lm e a s u r i n gp r i n c i p l e ( 1 冲击锤，2 被冲击块，3 短f 吕金属试样，4 输入杆，5 试样，6 输出杆，7 应变片) 如果不考虑它们输入载荷脉冲信号的不同，b t i a 的实验原理与s h p b 的原理 基本类似，b t i a 拉伸实验机的实验原理如图2 3 所示。它主要基于以下两个假设： 1 在输入杆与输出杆罩的应力波是一维和弹性的。 2 试样中应力场和应变场必须是均匀的，同时必须是单应力方向。 根据。维弹性波理论，试样中的应力仃( ，) ，应变s ( ，) 和应变率i ( f ) 由下式给出 ( x i a1 9 9 6 ，c h e ne ta 1 ，1 9 9 5 ) t 1 9 1 ： 呻) = 筹吲小“小啦) ( 2 _ 1 ) s ( r ) = 争f ( f ) 一。( f ) 一t ( f ) f f ( 2 - 2 ) 9 兰：! 翌塑塑! ! ! ! ! ! ：型! ：! 型羔! 丝! ! 兰竺坌塑 i ( f ) = 争 e ( r ) 一。( r ) 一( f ) 】( 2 - 3 ) 由于t (