實(shí)車碰撞一直是考核車輛被動(dòng)安全性的權(quán)威方法，為了評(píng)價(jià)某車型并滿足汽車安全標(biāo)準(zhǔn)，需要投入數(shù)百萬(wàn)美元進(jìn)行數(shù)百次試驗(yàn)，使得汽車碰撞的計(jì)算機(jī)模擬成為整車開發(fā)的必由之路。

1  影響斷裂的因素

影響材料斷裂的因素主要包括：塑性應(yīng)變、加載類型（拉伸、壓縮、剪切）、應(yīng)變率、材料的離散性、非線性應(yīng)變路徑、網(wǎng)格大小和類型等等。

2  斷裂模擬的方法

材料在不同的受力狀態(tài)下，斷裂特性是不一樣的。舉個(gè)例子，一塊金屬，很容易把它拉斷，但是很難把它壓壞。拉、壓可以理解成是材料的一種應(yīng)力狀態(tài)。例如車用的薄板材料，一般可以用應(yīng)力三軸度來(lái)描述其應(yīng)力狀態(tài)。在某個(gè)應(yīng)力三軸度下，材料的斷裂特性，用失效應(yīng)變來(lái)表示。把所有的應(yīng)力三軸度下的失效應(yīng)變連成一條曲線，如下圖所示。一般用這條曲線來(lái)描述材料的斷裂特性。

1）常應(yīng)變失效

在以前的碰撞仿真技術(shù)中，我們常使用單軸拉伸獲得的斷裂應(yīng)變來(lái)評(píng)價(jià)材料是否發(fā)生斷裂，這就是常應(yīng)變失效準(zhǔn)則。相當(dāng)于用材料在單向拉伸受力狀態(tài)下的失效特性表征所有受力狀態(tài)下的失效特性。這就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)問(wèn)題——材料拉伸的時(shí)候容易斷，但是在壓縮的時(shí)候基本很難斷裂，只使用拉伸的斷裂應(yīng)變來(lái)表達(dá)材料所有受力狀態(tài)下的斷裂應(yīng)變，就會(huì)導(dǎo)致仿真中材料在壓縮的時(shí)候過(guò)早發(fā)生斷裂，與真實(shí)情況不符合。所以這種方法只是對(duì)實(shí)際復(fù)雜斷裂特性的一種極簡(jiǎn)近似處理。一些仿真軟件中已經(jīng)在很多材料模型里增加了失效特性設(shè)置，我們最常見的是在MAT_024號(hào)材料模型中添加應(yīng)變失效（plastic strain at failure），添加該參數(shù)之后可以理解成，應(yīng)力三軸度-失效應(yīng)變曲線為一條直線。

2）GISSMO

與常應(yīng)變失效相比，GISSMO失效模型允許用戶定義在不同應(yīng)力三軸度下設(shè)置不同的失效應(yīng)變，該模型可以比較好地模擬材料復(fù)雜的失效行為。通過(guò)設(shè)計(jì)材料試驗(yàn)，用以表征該材料在某應(yīng)力三軸度下的失效應(yīng)變，最后再通過(guò)曲線擬合，即可獲得該材料完整的“應(yīng)力三軸度-失效應(yīng)變”曲線。

3 碰撞斷裂材料卡片及其應(yīng)用方法

1) 材料試驗(yàn)

靜態(tài)拉伸、動(dòng)態(tài)拉伸(5種不同加載速率)、靜態(tài)剪切、動(dòng)態(tài)剪切、靜態(tài)壓縮、動(dòng)態(tài)壓縮、靜態(tài)穿孔和動(dòng)態(tài)穿孔，共計(jì)12個(gè)試驗(yàn)工況，考慮塑料材料的一致性相對(duì)較低，每個(gè)工況開展3-5次試驗(yàn)。

2）真應(yīng)力-應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)換

壓縮跟剪切試驗(yàn)需要結(jié)合DIC技術(shù)進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)，測(cè)試前需在樣品表面制作散斑，穿孔試驗(yàn)一般無(wú)需測(cè)試應(yīng)變。各試驗(yàn)樣品如下圖。

DIC噴斑圖像采集方法可根據(jù)待測(cè)試件變形前后表面散斑圖像的相關(guān)性來(lái)確定試件位移及變形的全場(chǎng)測(cè)量。通過(guò)相關(guān)函數(shù)對(duì)子區(qū)周圍進(jìn)行相關(guān)計(jì)算后得到各變形圖像下各子區(qū)位移，進(jìn)而可求解得到全場(chǎng)位移場(chǎng)及應(yīng)變場(chǎng)，即可求得真應(yīng)變。通過(guò)整個(gè)變形場(chǎng)的計(jì)算，可求得所測(cè)位置即時(shí)寬度，結(jié)合每幅變形圖像對(duì)應(yīng)載荷，即可求得測(cè)試位置真應(yīng)力，進(jìn)而得到真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

3）力學(xué)特性修正

為了模擬懸置在整車正面碰撞中的受力狀態(tài)，設(shè)計(jì)懸置拉伸試驗(yàn)，對(duì)比仿真與試驗(yàn)的力-位移曲線發(fā)現(xiàn)，使用基礎(chǔ)材料卡的仿真中獲取的峰值力高于試驗(yàn)值。

原因分析：通過(guò)對(duì)懸置進(jìn)行樣條切割，發(fā)現(xiàn)懸置在成型過(guò)程中存在縮孔缺陷。縮孔使材料的力學(xué)性能有所削弱，為了模擬這種影響，應(yīng)考慮對(duì)原材料卡片進(jìn)行修正。由于縮孔是成型引起的，不同區(qū)域縮孔大小不一致，采用傳統(tǒng)的等比例縮放不能有效地表征該性能，因此需要根據(jù)縮孔的分布特征，來(lái)對(duì)材料力學(xué)性能進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整。

對(duì)懸置不同區(qū)域切割同樣尺寸的試驗(yàn)進(jìn)行三點(diǎn)彎和單軸拉伸試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)其屈服強(qiáng)度及失效應(yīng)變的分布。根據(jù)分布規(guī)律分別對(duì)失效應(yīng)變和屈服強(qiáng)度進(jìn)行離散性處理。

4）碰撞仿真分析

在碰撞分析軟件中將材料特性力學(xué)材料卡片和碰撞斷裂材料卡片，同時(shí)帶入碰撞分析中，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)材料變形及失效特性。

4 總結(jié)

本文概述了汽車碰撞中常用斷裂失效模擬方法；介紹完整的材料斷裂失效卡片開發(fā)流程；最后，通過(guò)零部件的試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，展示該方法制作的材料卡片可準(zhǔn)確模擬懸置在受到碰撞載荷工況下的斷裂現(xiàn)象。綜上，根據(jù)以上的方法及流程開發(fā)的材料卡片，可以對(duì)零部件斷裂現(xiàn)象進(jìn)行有效模擬，仿真結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠的指導(dǎo)。

材料卡片定制服務(wù)

國(guó)高材分析測(cè)試中心聯(lián)合行業(yè)仿真機(jī)構(gòu)，為客戶提供材料力學(xué)性能樣件測(cè)試及仿真軟件材料卡片生成服務(wù)，具體內(nèi)容如下：

1.按照客戶的技術(shù)要求，進(jìn)行高分子材料試驗(yàn)（單向拉伸，缺口拉伸，剪切，雙向拉伸，沖孔，三點(diǎn)彎等）。

2.對(duì)材料樣件試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，驗(yàn)證及仿真分析標(biāo)定。

3.輸出仿真分析標(biāo)定結(jié)果，并根據(jù)各種材料本構(gòu)要求生成相應(yīng)仿真軟件材料卡片。

4.最終交付材料樣件試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果及仿真軟件材料卡片。

MAT_24號(hào)材料卡片生成一般包括如下力學(xué)試驗(yàn)：

1） 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)

準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，應(yīng)變速率是0.001/s、0.1/s，2組，試驗(yàn)重復(fù)至少5組。

2） 中應(yīng)變率拉伸試驗(yàn)

中應(yīng)變率拉伸試驗(yàn)，應(yīng)變速率是0.1/s，1/s,10/s,100/s,1000/s 5組，試驗(yàn)重復(fù)率或5組。

MAT187號(hào)材料卡片生成一般包括如下力學(xué)試驗(yàn)：

1） 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)

準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，應(yīng)變速率是0.001/s、0.1/s，2組，試驗(yàn)重復(fù)至少5組。

2） 中應(yīng)變率拉伸試驗(yàn)

中應(yīng)變率拉伸試驗(yàn)，應(yīng)變速率是0.1/s，1/s,10/s,100/s,500/s 5組，試驗(yàn)重復(fù)率在5個(gè)。

3） 壓縮試驗(yàn)

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，應(yīng)變速率是0.001/s、0.01/s，2組，試驗(yàn)重復(fù)至少5組。

4） 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

非金屬高速三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)速度在是50mm/s、150mm/s，300mm/s，試驗(yàn)重復(fù)率在3個(gè)。

5） 高速穿孔試驗(yàn)

對(duì)于該試驗(yàn)，沖擊速度在10,mm/min。

如果需要考慮材料失效模型，比如GISSMO，DIEM，MMC或Johnson-Cook模型，則需要再多做一些其他試驗(yàn)，并根據(jù)仿真軟件不同的材料本構(gòu)要求，可能會(huì)涉及到材料各向異性的樣件取樣，及不同溫度下的材料力學(xué)性能測(cè)試。