先进高强钢Cowper-Symonds本构方程的建立及模拟

ＡＴ＆Ｍ硬界

先进高强钢Ｃｏｗｐｅｒ—Ｓｙｍｏｎｄｓ本构方程的建立及模拟

摘要：以ＤＰ６００和ＴＲＩＰ６００２种钢板为对象，研究其动态性能表征。基于Ｃｏｗｐｅｒ—Ｓｙｍｏｎｄｓ模

型建立２种钢板的材料本构方程并进行高速拉伸模拟，２种钢板均表现出对应变速率的敏感性。模拟结果与试验结果匹配性好，建立的材料本构方程具有工程应用价值。２种钢板的压溃、三点弯曲

模拟结果表明，ＴＲＩＰ６００抵抗变形能力高于ＤＰ６００钢板，碰撞过程中能够吸收更多的能量。

关键词：安全碰撞动态性能模拟高速拉伸

中图分类号：ＴＧｌ４２．１＋５文献标识码：Ｂ

■中国第一汽车股份有限公司技术中心王学双张义和曹广祥韩云涛

庄华哗

先进高强钢在汽车上的应用符合新时代汽车材料轻量化、高性能和安全舒适的发展主题”１，越来越受到汽车生产厂商的重视。先进高强钢主要应用于汽车保险杠、加强板、横梁、边梁、车轮等零件１２１。双相

钢（ＤＰ钢）和相变诱导塑性钢（ＴＲＩＰ）是先进高强

余奥氏体组成（Ａｒ含量约为５％一１５％），其在发生变形过程时，会诱导一部分残余奥氏体转变为马氏体，马氏体的强化效果使变形区转移，使相变均匀分布Ｍ‘５１，ＴＲＩＰ钢的ＴＲＩＰ效应使钢板的综合性能得

到大幅提高阻引。

钢的典型代表。

双相钢的微观组织主要由铁素体＋少量马氏体（体积分数少于２０％）组成。一般的高强钢强化途径主要依靠细化晶粒＋微量合金化元素，得到碳化物或氮化物的弥散析出相来强化基体；而双相钢的强化机制是依靠在铁素体的晶界或者晶粒内部，弥散分布着马氏体相而得到强化，使得双相钢具有低的屈服强度和高的抗拉强度以及优越的成形性能口１。相变诱导塑性钢的组织主要由铁素体＋贝氏体＋残

３年第１２期

汽车的安全性能是评价汽车星级的重要指标。各汽车研发机构均进行汽车安全碰撞模拟研究，已有一些关于汽车所用材料在高应变率下力学性能表征和计算机仿真模拟的报道，但针对碰撞条件下应变速率（一般为１０２＿１０３Ｓ’１）研究的报道较少阻”１。

本文采用Ｃｏｗｐｅｒ—Ｓｙｍｏｎｄｓ模型，建立ＤＰ６００

和ＴＲＩＰ６００２种钢板的本构方程，利用Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ和

Ｌｓ—Ｄｙｎａ软件，分析了２种钢板在压溃、三点弯曲情况下的性能表征。

２０１

汽车ｍ艺与材料ＡＴ＆Ｍ『１

ＡＴ＆Ｍ碗界

１材料和试验方法

１２００

１０００

１．１试验材料

ｃ。８００

试验材料为宝钢水ＪＤＰ６００和ＴＲＩＰ６００冷轧钢板。凸－

姜６００

２种钢板的主要性能指标见表１。

ｌ爿

４００

２００

牌号

抗拉强度

屈服强度

伸长率

Ｏ

／ＭＰａ

／ＭＰａ

／％

等效塑性应变

图２ＤＰ６００在不同应变速率下的应力一应变曲线

１２００

１。２试验方法

１０００

应用ＡｕｔｏＣＡＥ公司的高速试验系统进行高速拉伸ｃ口８００

Ｑ－

试验，该系统的可控应变速率为０．０１～１０００

Ｓ～，ｕ

ｍ

善６００

级位移控制范围为０．００１～１００Ｓ～，力值分辨率≤１Ｎ：慢

４００

位移分辨率≤０．１

ｕ

ｍ，频率Ⅱ向应≥４０ｋＨｚ，采集速

２００

率Ｉ＞２．５ＭＨｚ。应用该高速试验系统进行应变速率为

Ｏ

Ｏ．１０

Ｏ２０

０．３０

０．４０

０．０１Ｓ一、Ｏ．１Ｓ～、１Ｓ～、１０Ｓ～、１００Ｓ～、５００Ｓ一１的

等效塑性应变

拉伸试验。图１为高速拉伸的试样尺寸。

叫略ｍ吲略）【１＋（刚

…

＝－－ｔｑ＝，Ｅ嚣为等效塑性应变值；看：厅为等效塑性应变率；

盯，为对应三备应变率的应力值；盯；为准静态应力值；

图１高速拉伸试样尺寸

Ｃ、ｐ均为需要拟合的材料参数。

选取高速拉伸曲线中合适的应力应变点对２种材

２试验结果与分析

料进行拟合，拟合的材料本构方程如下：

２．１高速拉伸试验结果

ＤＰ６００钢板：

图２为ＤＰ６ｂＯ钢板在不同应变速率下的应力一应变曲线，图３为ＴＲＩＰ６００钢板在不同应变速率下的应叫略协８叫斟＋（志ｒ２１】（２）力一应变曲线。由图２、图３看出，２种材料均表现出明显的应变强化效应，随着应变速率的提高，断裂应变减小，断裂应力增大。叫略属小６２７ｔ斟＋（南ｒ８１】（３）．

ＴＲＩＰ６００钢板：

２．２材料本构模型的建立

・材料在不同应变速率下的力学行为对材料的性能汽车安全碰撞的过程是与材料的应变速率相关的

表征有着重要意义，为了验证拟合得到的材料本构方动态过型１２１，在碰撞模拟过程中要输入材料动态参数，

程的准确性，需要将本构方程得到的拟合参数输入到以获得准确的输出结果。目前应用较多的为Ｃｏｗｐｅｒ—材料卡片中，将模拟试验结果与高速拉伸试验结果进ＳＶｍｏｎｄｓｌ４莫型，其表达形式为：

行比较。图４为使ｆｆＪＬｓ—Ｄｙｎａ软件模拟得到的高速拉

２

Ｉ汽车ｍ艺与材料ＡＴ＆Ｍ

２０１３年第１２期

ＡＴ＆Ｍ碗界

临界值点

时间ｔ为第３ｓ时

伸应力云图。

５Ｘ轴应力分布等高线

２５６×１０乙

４最大和最小值分布

７９３×１０＇１

４

３３０×１０｜

２．３不同应变速率下的高速拉伸数值模拟

单元格２７６１８０，最小值６２９０７８３８６８Ｘ１０：单元格２７７３１０，最大值５２５．５５２

将材料本构方程得到的材料参数优化后，输入到３４０５×１０：２９４２×１０Ｌ＿

前处理软件Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ中，约束单轴拉伸的试验条２

４８０×１０毯

２０１７Ｘ１０毪

５５４×１０２．ｉ

件，施加载荷：将Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ的输出文件，在后处１１

０９２×１０４

Ｙ

理软件Ｌｓ—ＤｙｎａｄＰ进行后处理模拟计算，并观察试验Ｌｘ

６

２９１×１０ｌ

结果。图５为ＤＰ６００和ＴＲＩＰ６００钢板高速拉仲试验结

图４高速拉伸应力云图

果与模拟试验结果对比曲线。

１０００

９００

８００

ｎ∞

兰７００三

Ｒ藿６００

催

５００４００

３００

Ｏ

０．０５

０１０

０１５

Ｏ．２０

０．２５

等效塑性应变等效塑性应变

（ａ）

ｂ）

１０００９００一霉００．十试验１～

＋模拟

．▲：；一

８００

（。

乱至７００

至

一∥∥７

Ｓ“∥妒。岂∥’

Ｒ藿６００

侄

。力

‘

５００ｊ｛

。

４００

｛

３００

Ｏ０．０５Ｏ．１００．１５０２００．２５

Ｏ

等效塑性应变等效塑性应变（Ｃ）

（ｄ）

１０００

９００

８００

凸－

∞

芝７００

凸＿

芝

毯６００

Ｒ崔

５００

；三一

４００

３００

０

Ｏ０５０１０Ｏ１５０．２００２５

Ｏ

等效塑性应变

等效塑性应变

（ｅ）

（ｆ）

图５ＤＰ６００与ＴＲＩＰ６００高速拉伸试验与模拟结果对比曲线

２０１

３年第１２期

汽车Ｔ艺与材料Ａ１－＆Ｍ３

ＡＴ＆Ｍ碗界

由图５看出，模拟结果与高速拉伸试验结果匹配得很好，表明所建立的材料本构方程具有一定的工程应０

用价值，可以输入到卡片中，进行相关的试验研究。ｊ

６ＯＯＯ４００Ｏ２ＯＯ１ＯＯＯ０２．４压溃试验仿真模拟

１、Ｕ

８０００为研究ＤＰ６００和ＴＲＩＰ６００２种钢板的动态力学６ＯＯＯ４００Ｏ性能，设计了压溃试验仿真模拟。模拟试样ＣＡＤ２ＯＯＯ

见图６。其中ａ＝６３．６

ｍｍ，ｂ＝５２．６ｍｍ，ｆ＝

Ｏ

２２．２ｍｍ，厂１－厂２＝２

ｍｍ，板厚ｆ＝１．５ｍｍ，矩

形梁长ｈ＝３００ｍｍ，焊点间距Ｓ＝３９ｍｍ，焊点

图８矩形梁吸能曲线

直径ｄ＝５．４ｍｍ。三维模型见图７。撞击物（压头）的质量为５００ｋｇ，撞击物输入强制位移一时间曲线，时间为Ｏ．４Ｓ，位移为１２０

ｍｍ。

—卜—————呈——叫

图９三点弯曲模型示意图

距为３５０ｍｍ。撞击物（压头）的质量为１００ｋｇ，速度设置为５ｍ／ｓ。

图６模拟试样ＣＡＤ图

图１０为三点弯曲模拟试验中压头的位移一时

间曲线，ＤＰ６００钢板的侵入位移约为９９ｍｍ，

ＴＲＩＰ６００钢板的侵入位移约为１

０４

ｍｍ，说明

ＴＲｌＰ６００钢板抵抗变形的能力强于ＤＰ６００钢板。从

图１１压头速度一时问曲线看出，随着冲击过程的进

行，压头速度逐渐减至Ｏ并出现反弹。从图１２压头的能量耗散曲线可以看出，在初始阶段压头的能量迅速下降，最后出现反弹，ＴＲｌＰ６００钢板的耗散值

图７Ｃａｔｉａ模型示意图

稍大于ＤＰ６００钢板。

图８为撞击物吸能曲线。由于撞击物输入的加载方式为位移一时间曲线，压头在０．４ｓ时间内完成

１２０

ｍｍ的位移，压头的速度在很短时间内达到一

个稳定值并保持不变。从２种钢板的能量吸收值可以看出，ＴＲＩＰ６００钢板的能量吸收值高于ＤＰ６００钢板约１．２

ｋＪ。

２．５三点弯曲仿真模拟

本文设计了三点弯曲试验仿真模拟，所用模型见图９。矩形梁尺寸为６０

ｍｍＸ８０ｍｍＸ５００ｍｍ，跨

图１０压头侵入位移一时间曲线

４

Ｉ汽车ｍ艺与材料ＡＴ＆Ｍ

２０１

３年第１２期

Ｔ＆Ｍ褫界

５０００７：１０１—１０４．

４０００

［３］杨海根，王军．ＤＰ６００级热轧双相钢的开发［Ｊ］．冶金ｉ３０００

丛刊，２００８，１２（６）：１０一３．

￡２０００

［４］景财年，王作成．ＴＲＩＰ相变诱发塑性钢的研究进展≥，０００

［Ｊ］．特殊钢，２００４，２５（４）：１—５．

Ｏ

［５］唐荻，熊自柳，江海涛．相变诱导塑性钢的研究现状

１０００

００１

０

０．０１

００２

Ｏ０３

０．０４０．０５

Ｏ０６

０．０７

与发展方向［Ｊ］．鞍钢技术，２００８（２）：１—４．

∥ｓ

［６］关小军，周家娟．王作成．一种新型汽车用钢一相变诱发

图１１压头速度一时间曲线

塑性钢［Ｊ］．特殊钢，２０００，２１（２）：２７—３０．１．４ｘ１［７］Ｔｓｕｃｈｉｄａ

Ｎ，ＴｏｍｏｔａＹ．ＡＭｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃＭｏｄｅｌｉｎｇ

１２×１

ｆｏｒＴｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ

ｎｄｕｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｉｔｙｉｎ

Ｓｔｅｅｌｓ［Ｊ］．

１０×１８．０×１

Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．ａｎｄＥｎｇ．．２０００．Ａ２８５：３４５—３５８．

爵６．ｏ×１

［８］Ｆｉｓｃｈｅｒ

ＦＤ，ＲｅｉｓｎｅｒＧ，ＷｅｒｎｅｒＥ，ｅｔａ１．ＡＮｅｗＶｉｅｗ

４．０ｘ１ｏｎ

ＴｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎＩｎｄｕｃｅｄ

Ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ（ＴＲＩＰ）［Ｊ］．Ｉｎｔ．Ｊ．ｏｆ

２．０×１

Ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ．２０００，１６：７２３－７４８．

０

－２．０×１

［９］ＸｉｃｈｅｎｇＷｅｉ，Ｒｅｎｙｕ

Ｆｕ．Ｌｉｎ

Ｌｉ．Ｔｅｎｓｉｌｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ

０

０．０１

００２

Ｏ０３００４

００５

０．０６

ｔ／ｓ

ｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｃｏｌｄ—ｒｏｌｌｅｄＴＲＩＰ－ａｉｄｅｄｓｔｅｅｌｓｏｖｅｒｌａｒｇｅｒａｎｇｅ图１２压头能量耗散曲线

ｏｆｓｔｒａｉｎ

ｒａｔｅｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，

２００７，４６５（１—２，１５）：２６０—２６６．

３结论

［１０］Ｈｏｏｎ

Ｈｕｈ，Ｓｅｏｋ—ＢｏｎｇＫｉｍ，Ｊｕｎｇ—ＨａｎＳｏｎｇ．ｅｔ

ａ．ＤＰ６００和ＴＲＩＰ６００２种钢板均表现出对应变速

ａ１．ＤｙｎａｍｉｃｔｅｎｓｉｌｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＴＲＩＰ－ｔｙｐｅａｎｄＤＰ－率的敏感性，随着应变速率的增加，断裂应变减小、ｔｙｐｅｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔｓｆｏｒ

ａｎａｕｔｏ—ｂｏｄｙ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ

断裂应力增大。

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，２００８，５０（５）：９１８—ｂ．基于Ｃｏｗｐｅｒ—Ｓｙｍｏｎｄｓ模型，依据不同应变９３１．

速率的高速拉伸试验结果建立了ＤＰ６００和ＴＲＩＰ６００［１１］张卿卿，李大永，彭颖红．ＴＲＩＰ７８０高强度钢板动态力学２种钢板的钢板本构方程；应用Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ和Ｌｓ—特性的研究［Ｊ］．塑性工程学报，２００９，１６（６）：６—１０．Ｄｙｎａ软件，进行了不同应变速率下的高速拉伸模拟［１２］姚贵升．车身用钢板的抗碰撞性能［Ｊ］．汽车工艺与试验，模拟结果与试验结果一致性很好，所建立的材材料，２００６（８）：１５一侣．

料本构方程具有工程应用价值。

圈

ｃ

ＴＲＩＰ６００钢板抵抗变形的能力高于ＤＰ６００钢

板，碰撞过程中能够吸收更多的能量。

参考文献：

［１］王利，杨雄飞，陆匠心．汽车轻量化用高强度钢板的发展［Ｊ］．钢铁，２００６（９）：１—８．

［２］李扬，刘汉武，杜云慧，等．汽车用先进高强钢的应用现状和发展方向［Ｊ］．材料导报Ａ：综述篇：２０１１，（２５）

２０１３年第１２期

汽车工艺与材料Ａ１＿＆Ｍ５

先进高强钢Cowper-Symonds本构方程的建立及模拟

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

王学双， 张义和， 庄华晔， 曹广祥， 韩云涛中国第一汽车股份有限公司技术中心汽车工艺与材料

Automobile Technology & Material2013(12)

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引用本文格式：王学双. 张义和. 庄华晔. 曹广祥. 韩云涛 先进高强钢Cowper-Symonds本构方程的建立及模拟[期刊论文]-汽车工艺与材料 2013(12)