碰撞安全性是汽車結構件需要優先保障的服役性能。為了提升汽車的開發效率，工程人員在設計階段通常借助有限元仿真預測汽車在碰撞過程的變形和斷裂，如圖1所示。仿真模型的預測精度很大程度上取決于模型中設置的材料性能的準確度。在汽車工業，材料性能數據通常是以材料卡的形式提供給仿真工程師，并可直接導入汽車碰撞仿真軟件，可以理解為每一張材料卡都記錄了某牌號材料在各種加載條件下的性能數據。

圖1 汽車碰撞仿真

隨著汽車碰撞標準法規的日益完善和汽車輕量化指標的提高，汽車結構件的選材和設計優化也迎來新的挑戰。高精度材料卡已經成為汽車碰撞安全設計體系的重要拼圖。商業CAE軟件，如LS-Dyna，提供了多種不同牌號材料卡。常用的材料卡包括：常應變失效材料卡，Johnson-cook材料卡，Gissmo材料卡，DIEM材料卡，CrachFEM材料卡等。對于同一組測試數據，采用不同牌號的材料卡會得到不同的擬合結果。由于汽車結構件在碰撞工況下受力狀態復雜（如圖2所示），有必要采用高精度的塑性本構及斷裂模型進行碰撞仿真。

圖2 汽車正面碰撞工況下力的傳導

以Gissmo失效模型為例，它同時考慮了材料在不同受力狀態下臨界失效應變值的不同、材料的非線性應變路徑及非線性損傷累積。同時，該失效模型可以和多種材料本構模型進行組合使用，能夠對復雜應力狀態下的失效模式進行精準預測，有助于提高汽車碰撞仿真的預測精度。

Gissmo模型的標定可以分為以下6步：

1. 實驗設計：確定需要進行的實驗類型和參數，例如靜態加載、動態加載，以及加載條件的范圍和級別。

2. 試樣準備：準備適當的試樣，并確保它們代表了實際應用中可能遇到的應力狀態和加載條件，通常包括單軸拉伸試樣，中心孔拉伸試樣，缺口拉伸試樣，0度剪切試樣等。

3. 實驗：進行相應的實驗并記錄下實驗數據，比如載荷-位移曲線。

4. 數據分析：對實驗數據進行分析，包括計算應力-應變曲線等。

5. 參數標定：對模型參數進行標定，可以采用 LS-OPT中的參數反求法得到Gissmo失效模型中的各個參數值，參數反求流程如圖3所示。

6. 驗證和調整：使用標定后的模型對其他試樣進行預測，并與實際觀測結果進行比較。

圖3 Gissmo失效模型參數反求流程圖

除了汽車工業，Gissmo失效模型還可以應用于許多其他領域，例如：

1. 腐蝕環境中金屬材料的失效行為預測；

2. 高強度淬火硼鋼在成形過程中的延性破壞特性描述；

3. 軌道交通行業的車輛被動安全設計；

4. 航空、電子和普通家用產品等領域的聚合物零件在動態條件下的機械行為預測；

5. 自沖鉚過程鋁板斷裂行為的預測。

LS-Dyna采用*MAT_ADD_EROSION來設置GISSMO失效模型 ，如圖4所示。

圖4 Gissmo卡片設置示例

幾個關鍵字段設置方法如下：

• IDAMG：應設置為1以激活Gissmo模型
• DMGTYP：應設置為1，計算累計損傷值D，當D≥Dcrit時修正本構曲線，當D=1時材料失效。如果設置為0，僅計算累計損傷值，不修正本構曲線，材料不失效。
• LCSDG：材料η-εf曲線的ID號。
• ECRIT：本構曲線上應力開始下降位置的等效塑性應變。
• DMGEXP：材料的損傷累積指數，即公式(7)、(8)和(9)中的n。
• DCRIT：本構曲線上應力開始下降位置的所對應的損傷值，即公式(10)中的Dcrit。
• FADEXP：應力退化指數，即公式（10）中的m。
• LCREGD：單元尺寸歸一化曲線的ID號。

需要注意的是，ECRIT和DCRIT都是用于定義本構曲線修正的起始點，但ECRIT的優先級高于DCRIT。如果ECRIT設置為大于0的數字，則DCRIT的設置被忽略，當等效塑性應變εp達到ECRIT值時，軟件按公式(10)開始修正本構曲線，公式(10)中的Dcrit即為此時的損傷值。只有ECRIT設置為0時，程序才會按DCRIT設置值來修正本構曲線。

碰撞仿真所用的網格尺寸對結果有重要影響。通過不同網格尺寸試樣與實際試驗曲線的對比可以看出，在相同輸入條件下，隨著網格尺寸的增大，仿真試樣的失效應變與試驗值偏差逐漸增大，如圖5。LCREGD字段引用的曲線定義了網格尺寸歸一化因子和失效塑性應變之間的關聯，能夠修正網格尺寸所帶來的偏差。

圖5 網格尺寸對失效應變的影響

綜上所述， Gissmo材料卡已經廣泛應用于預測不同領域的材料失效行為，有助于實現選材和工程設計優化。

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材料卡片定制服務

國高材分析測試中心聯合行業仿真機構，為客戶提供材料力學性能樣件測試及仿真軟件材料卡片生成服務，具體內容如下：

1.按照客戶的技術要求，進行高分子材料試驗（單向拉伸，缺口拉伸，剪切，雙向拉伸，沖孔，三點彎等）。

2.對材料樣件試驗結果數據進行數據處理，驗證及仿真分析標定。

3.輸出仿真分析標定結果，并根據各種材料本構要求生成相應仿真軟件材料卡片。

4.最終交付材料樣件試驗數據結果及仿真軟件材料卡片。

MAT_24號材料卡片生成一般包括如下力學試驗：

1） 準靜態拉伸試驗

準靜態拉伸試驗，應變速率是0.001/s、0.1/s，2組，試驗重復至少5組。

2） 中應變率拉伸試驗

中應變率拉伸試驗，應變速率是0.1/s，1/s,10/s,100/s,1000/s 5組，試驗重復率或5組。

MAT187號材料卡片生成一般包括如下力學試驗：

1） 準靜態拉伸試驗

準靜態拉伸試驗，應變速率是0.001/s、0.1/s，2組，試驗重復至少5組。

2） 中應變率拉伸試驗

中應變率拉伸試驗，應變速率是0.1/s，1/s,10/s,100/s,500/s 5組，試驗重復率在5個。

3） 壓縮試驗

準靜態壓縮試驗，應變速率是0.001/s、0.01/s，2組，試驗重復至少5組。

4） 三點彎曲試驗

非金屬高速三點彎曲試驗，試驗速度在是50mm/s、150mm/s，300mm/s，試驗重復率在3個。

5） 高速穿孔試驗

對于該試驗，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，并根據仿真軟件不同的材料本構要求，可能會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性能測試。