超高強鋼
關注創建者：汽車公社 創建時間：2023-11-20
超高強鋼的實例教程
摘 要：為了提高超高強鋼材料在整車碰撞過程中的失效行為仿真預測精度，對比分析了主流求解器LS＿DYNA中GISSMO等6種典型失效模型的原理，并針對GISSMO失效模型中影響整車碰撞失效仿真精度最為關鍵的參數材料斷裂極限應變及網格尺寸修正特性設置方法進行了研究。斷裂極限應變標定過程中應變路徑存在非線性，需要采用加載歷程平均應力三軸度來進行描述；默認的網格修正設置方法難以兼顧不同應力狀態，采用自定義的網格尺寸修正設置方法可以有效提高典型應力狀態下不同網格尺寸模型仿真預測結果的一致性。
關鍵詞：超高強鋼;失效;GISSMO;
1 前言
節能與安全是汽車行業一直以來關注的兩大話題。近年來，實現汽車燃油經濟性目標，整車整備質量持續下降，車身輕量化重要性進一步凸顯；另一方面，行業安全法規也在持續加嚴，對車身結構強度提出了更高的要求[1]。超高強鋼材料兼具輕量化、性能與綜合應用成本優勢，近年來在汽車行業應用范圍不斷增加。隨著汽車行業安全法規不斷升級，超高強鋼結構件在汽車碰撞過程中需要吸收更大的能量；同時，隨著材料強度的上升，其韌性通常會有所下降[2]，因而導致車輛關鍵結構件在碰撞過程中開裂失效風險顯著增加，嚴重影響車輛被動安全性能。為此，汽車行業普遍采用有限元仿真分析方法來預測超高強鋼材料在碰撞工況下的失效行為[3,4,5,6,7]，為車輛結構與用材設計提供優化方向。
本研究介紹了目前超高強鋼材料碰撞失效行為預測領域的最新研究進展，并針對目前常用的網格尺寸縮放問題進行了研究，可以為提高超高強鋼材料在整車碰撞過程中的失效行為預測精度提供一定的參考。
2 失效模型選擇
對于超高強鋼等金屬材料而言，韌性斷裂是其最主要的失效形式，采用基于應變的失效模型可以更好地預測其失效行為。
展開 方法 針對這一問題，采用數值模擬和實驗的方法，開展了 780 MPa 超高強鋼扭力梁內高壓成形研究，重點研究了預制坯形狀對扭力梁內高壓成形的影響，并采用響應面模型，優化了預制坯，獲得了最優的預制坯形狀。在此基礎上，研究了加載路徑對扭力梁內高壓成形過程的影響。 結果 當扭力梁預成形壓下量為 62.2 mm，下模引導角為 29.2°時，得到了最優的預制坯形狀。后續內高壓成形過程中，支撐壓力過小或補料量過大，在試件端部引起起皺缺陷；支撐壓力過大或者補料量過小，補料主要集中于端部，對大膨脹量區域影響較小；當采用補料量為 8%的加載路徑時，可以有效改善壁厚的分布，避免起皺缺陷。 結論 合理的預制坯形狀能夠有效避免超高強鋼扭力梁內高壓成形過程中的飛邊缺陷，而加載路徑控制是扭力梁內高壓成形過程中避免起皺缺陷和過度減薄，提高成形極限和零件成形精度的重要途徑。
關鍵詞：扭力梁；內高壓成形；預成形；先進高強鋼
汽車輕量化技術是采用新成形工藝對汽車零部件進行結構優化設計，或使用輕質材料，在確保汽車綜合性能指標的前提下，降低車身重量，以達到減重、節能、舒適、抗震、耐撞和環保的目的。輕質材料主要包括鋁合金、鎂合金等低密度合金以及先進高強度鋼材。其中鋁合金和鎂合金價格相對昂貴，需要的設備投資也較大，所以鋼材仍舊是車身制造的主導材料。高強鋼滿足高強度和高成形性的統一，輕量化和碰撞安全性的統一，高性能和低成本的統一，是目前車身制造的重要輕質材料。對汽車零部件進行結構優化設計并且采用新的成形工藝，是當前車身制造工程中的另一重要發展方向。
展開 超高強鋼熱沖壓構件的應用能夠在減輕汽車整車重量的同時，保證車身強度及安全性，是實現汽車輕量化的重要途徑。本文主要介紹作者所在的研究團隊圍繞超高強鋼汽車構件熱沖壓成形技術及裝備所做的部分研究工作。
汽車輕量化是汽車重要的發展方向，也是國家重大科技需求。燃油車整車重量每降低10%，燃油效率提升6%～8%，排放下降4%；純電動車、混合動力車等新能源汽車對重量更加敏感，整車每減重10%，續航里程增加10%～15%。
高強度輕量化材料在汽車上的應用能有效地推進輕量化進程。《中國制造2025》提出要提升輕量化材料等核心技術的工程化和產業化能力，同時推動自主品牌節能與新能源汽車同國際先進水平接軌。然而隨著鋼板強度的提升，傳統冷沖壓成形中往往存在開裂、回彈、起皺等缺陷，同時成形力明顯增加又對壓力機和模具壽命提出更高的要求。為解決這些問題，一種能夠降低成形力和成形難度，且成形后所得構件兼具超高強度和高精度的先進材料加工技術——熱沖壓技術應運而生。時至今日，熱沖壓成形技術已廣泛用于汽車車身及底盤結構件成形制造中（圖1）。
熱沖壓成形技術的概念與特點
熱沖壓成形技術包括直接熱沖壓和間接熱沖壓兩種形式。以最常用的直接熱沖壓成形為例，其工藝流程如圖2所示，首先將高強度硼鋼板坯料加熱到奧氏體化溫度以上，并保溫一定時間使其充分奧氏體化（通常為900～950℃），隨后將加熱的坯料迅速轉移至帶有冷卻系統的模具內沖壓成形，同時保壓淬火，使構件材料發生馬氏體轉變。與傳統的冷沖壓相比，鋼板在高溫時成形性好，可一次成形復雜形狀的構件，并且構件強度可達1500MPa甚至更高。此外，熱沖壓工藝的構件回彈小、精度高、變形抗力約為冷沖壓的三分之一、設備噸位小。
展開 1、加快開發高強度、高韌性的海洋平臺用鋼
從海洋平臺結構設計角度出發， 采用高強度和超高強度鋼可以有效減輕平臺結構自重， 增加平臺可變載荷和自持能力， 提高總排水量與平臺鋼結構自重比。國內的海洋平臺用鋼多集中在E550 級別以下，而國外的同類產品多集中在 E690級別以上，且使用量遠遠超過國內水平。另外，隨著深海及極地海洋平臺建設的快速發展， 海洋工程用鋼的低溫韌性更顯重要， 同系列的E級和F級鋼板的需求量逐漸增加，高強度、高韌性海洋平臺用鋼將是今后重點研發的品種。
2、研發低成本高附加值產品
海洋平臺是由鋼結構焊接而成， 其中高強鋼所占比例高達 60%～90%，如果在高強鋼合金設計上實現減量化， 將會大大降低海洋平臺的建設成本。國內現有的 690 級高強鋼均采用添加大量的Ni、Mo 等貴重合金元素，如能通過合金設計，實現“以 Mn/C 代 Ni”的成分設計思路，可以大幅度降低成本。首先，Mn 是一種強奧氏體穩定元素，其價格只是 Ni 的 1/5~1/20，其次，高 Mn 鋼具有優異的強度和塑性的綜合性能以及優異的低溫韌性。高Mn 鋼本身的優異綜合性能可以解決目前海洋平臺用 690 MPa 級超高強鋼的低溫韌性差、屈強比高等問題， 能夠滿足未來深海和極地海洋平臺對超高強鋼安全性能和建造成本需求， 這也是今后高強、高韌海洋平臺用鋼的重要發展方向。
3、良好成形性能的低屈強比海洋平臺用鋼開發
從海洋平臺底部結構設計出發， 如果采用先進的樁腿（包括樁靴）結構和升降機構，將會增加平臺的承重能力、抗沖擊能力及耐久性。目前，升降齒條用鋼采用了 690 MPa 級超高強鋼， 但其他樁腿結構用鋼一般僅為 550 MPa 級別高強鋼。
展開 1、加快開發高強度、高韌性的海洋平臺用鋼
從海洋平臺結構設計角度出發， 采用高強度和超高強度鋼可以有效減輕平臺結構自重， 增加平臺可變載荷和自持能力， 提高總排水量與平臺鋼結構自重比。國內的海洋平臺用鋼多集中在E550 級別以下，而國外的同類產品多集中在 E690級別以上，且使用量遠遠超過國內水平。另外，隨著深海及極地海洋平臺建設的快速發展， 海洋工程用鋼的低溫韌性更顯重要， 同系列的E級和F級鋼板的需求量逐漸增加，高強度、高韌性海洋平臺用鋼將是今后重點研發的品種。
2、研發低成本高附加值產品
海洋平臺是由鋼結構焊接而成， 其中高強鋼所占比例高達 60%～90%，如果在高強鋼合金設計上實現減量化， 將會大大降低海洋平臺的建設成本。國內現有的 690 級高強鋼均采用添加大量的Ni、Mo 等貴重合金元素，如能通過合金設計，實現“以 Mn/C 代 Ni”的成分設計思路，可以大幅度降低成本。首先，Mn 是一種強奧氏體穩定元素，其價格只是 Ni 的 1/5~1/20，其次，高 Mn 鋼具有優異的強度和塑性的綜合性能以及優異的低溫韌性。高Mn 鋼本身的優異綜合性能可以解決目前海洋平臺用 690 MPa 級超高強鋼的低溫韌性差、屈強比高等問題， 能夠滿足未來深海和極地海洋平臺對超高強鋼安全性能和建造成本需求， 這也是今后高強、高韌海洋平臺用鋼的重要發展方向。
3、良好成形性能的低屈強比海洋平臺用鋼開發
從海洋平臺底部結構設計出發， 如果采用先進的樁腿（包括樁靴）結構和升降機構，將會增加平臺的承重能力、抗沖擊能力及耐久性。目前，升降齒條用鋼采用了 690 MPa 級超高強鋼， 但其他樁腿結構用鋼一般僅為 550 MPa 級別高強鋼。
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font-weight: 700; margin: 0px; padding: 0px; border: 0px;">8、 汽車輕量化技術及汽車材料：</span>金屬材料、塑料、發泡材料、復合材料、輕量化零部件、車身連接技術等；</p>
<p style="margin-top: 20px; margin-bottom: 20px; border: 0px;">8.1 汽車用鋼專題展示區: 先進高強鋼、超高強鋼
3.1 汽車功率半導體技術：IGBT/MOSFET、功率IC等、第三代半導體材料（SiC/GaN）及器件、車用LED芯片/光源/Mini/Micro LED、封裝測試、設計開發、生產設備等；
4、 汽車輕量化技術及汽車材料：金屬材料、塑料、發泡材料、復合材料、輕量化零部件、車身連接技術等；
4.1 汽車用鋼專題展示區: 先進高強鋼、超高強鋼、高錳鋼、汽車板材、不銹鋼及全套解決方案
金屬材料與輕量化技術展區
汽車用鋼專題展示區: 先進高強鋼、超高強鋼、高錳鋼、汽車板材、不銹鋼及全套解決方案、汽車用齒輪鋼、軸承鋼、彈簧鋼、汽車用硅鋼等；
汽車用鋁及鋁制零部件展示區：鋁鑄鍛件、鋁制車身及部件、鋁車輪、鋁制部件、制造裝備等.
展示范圍：
1、汽車金屬材料: 高強度鋼板、高強度冷軋鋼板、鋁合金、鎂合金、鈦合金等；
----汽車用鋼專題展示區: 先進高強鋼、超高強鋼、高錳鋼、汽車板材、不銹鋼及全套解決方案、汽車用齒輪鋼、軸承鋼、彈簧鋼、汽車用硅鋼等；
----汽車用鋁及鋁制零部件展示區：鋁鑄鍛件、鋁制車身及部件、鋁車輪、鋁制部件、制造裝備等；
2、汽車塑料與復合材料：碳纖維增強塑料、熱塑性樹脂、熱固性樹脂、聚碳酸酯樹脂
采礦與巖土工程系/瑞典爆破研究中心高級講師
演講主題：基于LS-DYNA的地下工程爆破模擬
薛飛 | 中泰模具 研發總工程師
演講主題：Ansys Forming最新開發進展及應用介紹
潘小飛 | Ansys 首席研發工程師
演講主題：LS-DYNA ISPG方法更新及其在制造過程仿真中的應用
張天楊 | 寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院 助理研究員
演講主題：超高強鋼焊點碰撞失效模擬研究
※ 展品范圍
◆ 民用車、客(貨)運車、工程車、乘用車、商用車、微型車、新能源車及專用車等整車;
◆ 新能源、自動駕駛、車聯網、智能座艙、軟件開發、輕量化、數字智造等域的前瞻科技產品、科技公司、生態平臺等；
◆ 車身制造工藝及裝備(四大工藝裝備)底盤、變速箱、發動機工業與再制造工藝及裝備、高性能汽車鋼、先進高強鋼、超高強鋼、新能源汽車用鋼、輕量化零部件用鋼，鋁合金材料、鋁車身及部件、鋁鑄鍛件
為此，汽車行業普遍采用有限元仿真分析方法來預測超高強鋼材料在碰撞工況下的失效行為[3,4,5,6,7]，為車輛結構與用材設計提供優化方向。
本研究介紹了目前超高強鋼材料碰撞失效行為預測領域的最新研究進展，并針對目前常用的網格尺寸縮放問題進行了研究，可以為提高超高強鋼材料在整車碰撞過程中的失效行為預測精度提供一定的參考。
電子零部件/材料、半導體、車載系統、測試工具、ADAS、軟件硬件系統等；
3、 新能源汽車技術及充電設備展區：驅動系統、電機、變頻器、轉換器、零部件、材料、電池、充電器、制造設備、充電設施、線束線纜、線束加工設備等；
4、 汽車輕量化技術及汽車材料展區：金屬/非金屬輕量化材料、輕量化零部件、成型/加工技術及設備、設計工程、模擬等；
4.1 汽車用鋼專題展示區: 先進高強鋼、超高強鋼
輕量化技術涉及結構設計、計算仿真、材料技術、制造工藝、連接技術及試驗評價等多方面內容，結構質量的降低是多因素協同作用的結果，超高強鋼、鋁合金、鎂合金和碳纖維復合材料等輕量化材料的使用是關鍵因素。本文從設計、材料、工藝3個角度對輕量化技術進行介紹，并著重對主要輕量化材料的性能特點及應用現狀進行總結。
如斷口截面附近有明顯的變形，斷口上有剪切唇邊，這是延性斷裂的特征；反之斷口截面無明顯變形，又無剪切唇邊的就屬脆性斷裂；故障部件受交變應力，斷口上又能找出（超高強鋼通常難以找出）貝殼或海灘花樣的屬疲勞斷裂。還有其它種種的外貌特征均可作為判斷相應故障的屬性。用肉眼觀察時，通常借助50倍以下放大鏡的幫助。
（3）通過追溯斷口的撕裂紋理，來確定斷裂源位置。
