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问题
金属。研究抛光工艺。
体积114,数字6, 2017年
文章编号 607.
数量的页面(年代) 9
迪伊 https://doi.org/10.1051/metal/2016065
网上发布 2017年9月19日

©Ebeplay体育注册DP科学,2017

1介绍

为了实现安全和环境法规的目的,由于其碰撞性能及其重量潜力,高强度钢(AHSS)在汽车行业中大大和不断增加。然而,与常规钢相比,这些材料的拉伸强度的增加通常与延展性的损失有关,并且对船用负荷负载条件失败的评估成为钢铁供应商ArcelorMittal的重要性,以便他们的客户实现安全他们的车辆的崩溃设计[1].

为此,在有限元代码LS-DYNA中实现了众多的故障标准[2].它们定义在Mat224内[2], MAT123 [2或CrachFem [3.]碰撞失败模型卡。根据菌株或应力,它们可以以不同的方式配制,但是可以使用根据应力三轴的裂缝应变的曲线表示将它们与平面应力条件进行比较[4].因此,故障预测的准确性主要取决于该曲线,并且其可靠测定,至少对于对应于研究的调查负载的压力状态的范围。

本文提出了针对不同AHS的曲线的测定,作为双相或压力钢。然后通过对真实汽车组分的模拟和实验进行比较来评估故障预测的准确性。

2裂缝应变测量

在这方面,详细说明了关于三种装载路径的骨折菌株的实验确定:

  • 单轴拉伸试验,

  • 赤型膨胀试验,

  • 一个平面应变测试。

2.1单轴拉伸试验

2.1.1带孔的拉伸样品

阿塞洛-米塔尔使用的单轴试样广泛受到了MatFEM使用的试样的启发[3.].它设计有一个孔,如图所示图1.孔应防止样品缩颈,并在单轴拉伸条件下促进延性正常失效。通过观察如图所示的破碎的横截面,可以通过厚度减小来测量断裂菌株图2(a)或通过数字图像相关图2(b)(DIC使用ARAMIS系统[5])。假设各向同性可塑性,局部失效应变直接从最终和初始厚度比率衍生,即,如等式所定义(1)在哪里h0是初始厚度,和h在故障位置的厚度降低:(1)

由于在发生故障之前,这种结果并不严格地是真的,直到发生故障并且三轴性通常在骨折之前增加。

该方法的优点是其相对简单性。不幸的是,测量精度的影响非常重要:最终厚度的10%的不确定性导致失效应变的不确定度超过20%,这仍然非常高。

已经证明,由于具有非常高的应变梯度,用千分尺的测量不够精确。在断开部分上捕获厚度非常困难,并且通常,该厚度测量估计过度显微镜获得的实际值。因此,使用显微镜成为强制性。

或者,可以使用数字视频相关测量应变。然而,由于重要的应变梯度和裂缝前达到的高应变率,使用该方法的裂缝菌株的测定是困难的。

缩略图 图。1

20 × 80mm拉伸试样,加工孔径为10mm。

缩略图 图2

(a)用双目显微镜测量。(b)数字图像相关测量。

2.1.2双重弯曲标本

在arcelorMittal开发了一种创新方法,用于测量单轴拉伸骨折菌株。如同代表图3.,弯曲的样品垂直于第一方向弯曲第二次。这在边缘产生拉伸胶合。

如图所示图4.,使用图像相关再次进行应变分析[5].然而,由于斑纹退化,这种方法在这种情况下是不够的。所示图5.,失效应变必须从裂缝附近的厚度衍生。与孔的标本相反,由于较低的应变梯度,双弯曲试样上的厚度测量足够精确,千分尺足够。

缩略图 图3.

双重弯曲试验:骨折在加工边缘上启动。

缩略图 图4.

双弯曲试件应变的图像相关分析。

缩略图 图5.

骨折位置附近的厚度测量。

2.1.3单轴拉伸试样与孔和双弯曲试样之间的比较

对双相600、双相1180和Usibor三种不同钢级进行了比较®1500(热冲压钢)。结果图6.突出显示在单轴拉伸下导致应变失效的两种方法是一致的。

在单轴条件下,通常采用的捷径是将标准拉伸试验产生的均匀延伸率(UEL%)与断裂应变的分级能力混淆。这种太明显的方法来评估断裂应变是不正确的。对于这样的拉伸试样,断裂应变对应的是破坏位置的局部减少面积(RA)。局部RA在单轴拉伸应变条件下测量的断裂应变可以与经典的UEL%进行标绘,以强调两者之间没有直接的联系。图7.展示来自ArcelOmittal汽车产品提供的众多等级和厚度的大量数据。它清楚地说明了uel%与来自ra的断裂菌株之间没有明显的关系。

另一方面,RA值的测量引起了不确定性的问题,因为没有简单的方法来评估它,因为裂缝很少在同一平面中。然后,双弯曲试样导致骨折应变的多大可靠结果,在测量厚度减小方面更容易减少。

缩略图 图6.

双弯试验和拉伸试样的减薄结果与孔等效结果的比较。

缩略图 图7.

从单轴拉伸样品中测量的均匀伸长率(UEL%)和失效应变(RA)之间没有直接连接。

2.2零配膨胀试验

等双轴膨胀时的断裂应变由Nakajima试验得到[6];它描述于图8..均匀应变场和低应变速率演化允许具有数字图像相关分析的应变测量(使用带有2 mm的网格的Vialuxdic测量系统[7])。断裂应变也从故障位置的厚度降低来源于,即等式(2),假设各向同性可塑性和偏心菌株:(2)

通过DIC分析和厚度减少获得的断裂应变的比较已经为4个钢等级进行:DP980LCEY700,DP980Y700,DP1180HY和HR CP800。如图所示图9.,结果在两种方法之间是一致的。

缩略图 图8

Nakajima测试说明。

缩略图 图9.

通过厚度降低和DIC分析获得抗衡性膨胀条件中断裂应变的比较。

2.3平面应变试验

2.3.1缺口拉伸样品

如matfem提出的[3.[用缺口拉伸试样获得平面应变路径。提供了ArcelorMittal的标本图10

断裂应变由断裂截面上的厚度折减决定,如图11

假设塑性是各向同性的,局部破坏应变由最终厚度比和初始厚度比直接导出,即:(3)

对于具有孔的拉伸样品,该方法的优点是其简单性,但其缺点是需要高精度厚度测量(显微镜)。

缩略图 图10.

在arcelormittal用于测量平面应变状态下的断裂菌株的缺口拉伸试样。

缩略图 图11.

左图为破碎试样,右图为双筒相机测厚。

2.3.2 V弯曲试验VDA-238-100 [8

如同代表图12, vda -238- 100v弯曲试验[8]的原理是在一个宽而尖的冲头上施加载荷,使由两个滚动圆筒支撑的小平面试样偏转。该测试用于汽车工业,用于评估材料的延性,或验证流变学或断裂标准[9].它的优点是避免了不稳定的影响。此外,这是相当具有代表性的局部屈曲造成的骨折,可能发生在结构部件碰撞事件。

破坏应变测量必须适应这种特定的测试。由于通过厚度的应变梯度,断裂应变不能像之前暴露的那样从最终和初始厚度比中得到。尽管如此,图13(a)(b)展示了由于DIC分析(这里的GOM Aramis System [5])或有限元分析(使用ABAQUS的FEA [10.])。在弯曲的extrados中测量失败时的菌株。计算中的施加位移对应于在故障发生时实际测量的施加。

图14表明,DIC分析测量与仿真结果相比非常良好,但是使用所使用的网格在尺寸方面等同的条件。使用镜子以便在增加噪声的刀具下捕获extrados中的变形。此外,使用远高于冲头半径的网格尺寸增加了测量上的振荡(计算在不在同一平面上的几个像素上)并导致信号的早期损耗。在仿真中,0.2毫米网格尺寸足够精细,因为达到了收敛。

在V型弯曲试验期间,应变顺畅地增加。剥削是更准确的。

缩略图 图12.

V型弯曲VDA-238-100的方案[8在不同弯曲角度下的试样和阿塞洛-米塔尔的试验。

缩略图 图13.

(a)由GOM Aramis系统在弯曲的外部测量的应变场。(b)通过FEA获得的厚度的应变场,裂缝菌株在外皮上取。

缩略图 图14.

比较了GOM - ARAMIS系统在不同网格尺寸下的应变测量结果与有限元计算结果。

2.3.3 V型弯曲试验和缺口样本拉伸试验的比较

图15表明,用于在平面应变条件下确定故障应变的两个测试是一致的。

缩略图 图15.

通过厚度测量(橙色)通过FEA(蓝色)和Notch拉伸试验得到的V型抗裂纹菌株下的裂缝菌株的值。

3失效应变测量的合成

图16允许合成两种双相(DP980和DP1180)的失效菌株,两次压力硬化(Ductibor®1300和USIBOR.®1500)钢等级,根据3所考虑的应变路径。它根据这些等级的应力三轴提供等效的断裂菌株。应力三轴性以及等同的裂缝菌株在本文件中进一步定义。

缩略图 图16

根据应力三轴的等效失效应变。

4碰撞模拟中的故障预测

4.1失效模型的展示

作为第一近似,可以基于组分的临界区域中的塑性应变水平来估计故障风险。然而,使用基于主应变或三轴性的更精确的故障标准,使用更准确的故障标准,允许获得更好的故障预测。然后使用先前的实验数据来校准LS-DYNA 971 VR4.1&R5.0中可用的不同故障模型[2],如材料法Mat224,Mat123 [2]和Crachfem模型[3.].

4.1.1 MAT123中的故障标准

mat123 [2]失败模型假设失败发生在关键的主要应变值,而不对应力三轴的任何依赖性。假设平面应变条件是崩溃应用的最关键的应变状态。因此,如果在该故障标准中使用平面应变负载下的主体失效应变,则应大致估计故障。未采用在故障计算中使用等效应变的可能性,并未在本文中提出。

4.1.2 Crachfem失败模型

本文研究的最完整的故障模型是Crachfem模型[3.].在形成应用和崩溃期间,开发了该模型以进行故障预测。考虑了三种故障模式:

  • 正常的韧性断裂,

  • 剪切韧性骨折,

  • 不稳定(变细)。

每个故障类型都是单独建模的,并校准有关特定测试。对于崩溃应用,这里假设主要是常规延展性衰竭,因为颈部和延展性剪切故障不会习惯性地发生。施加到薄片的延性故障模型假定等效的失效应变由等式定义(4)只取决于应力三轴性η.(4)

并且应力三轴性由以下等式定义:(5)在哪里η.+是赤纤轴张力的三轴性(2针对各向同性塑性材料),η.-是偏心压缩的三轴性(用于各向同性塑性材料),是赤叶张力等效骨折菌株,等双轴压缩时的等效断裂应变是c是一个考虑到方向依赖关系的参数。

假设平面应力状态和各向同性可塑性,三轴性η.是直接来自于主要菌株吗ε.1ε.2特别是这个比值α.在以下等式定义之间:(6)

标准根据比率α.代表了图17

c,模型的参数使用三个实验结果进行校准α.三种不同比率的值:

  • V型弯曲试验或凹口标本拉伸试验(平面应变状态,即α.=0),

  • Nakajima测试(偏心膨胀应变状态,即α.=1);

  • 和具有孔或双弯曲标本的标本(单轴拉伸应变状态,即α.=−0.5)。

缩略图 图17.

例按正常韧性断裂曲线的比值α.

4.1.3 Mat224中的失败模型

mat224 [2]模型考虑了断裂应变极限的应力三轴性,但对不同的破坏模式(剪切、法向延性或颈缩)没有影响。它可以定义为MAT123之间的一个中间模型[2和CrachFEM [3.]失败模型。它代表崩溃期间的故障预测良好妥协。

故障曲线由几个点循点定义。在目前的情况下,用于CRACH FEM模型校准的相同点。

4.2输入故障模型参数

采用5个积分点的完整壳单元对试件进行建模。3点弯曲试验包括通过一个初始速度为8米/秒的冲击器施加一个载荷,使一个小的欧米茄形状的试样发生偏转(图18.)由两个气缸支撑的AHS制成。

通过实验,观察到在样本的塑料铰链区域中启动失败。模拟与实验力偏转曲线很好(图18.)和能量吸收能力(图19.)。

减小有限元模型的网格尺寸会导致塑性铰区域的局部应变值增大(图20.)。因此,准确的故障预测将需要对网格依赖性的补偿。

因此,实现了具有不同固定网格尺寸的模拟。然后在正确的时间和偏转处获得临界元件中的主要应变。然后绘制正则化曲线以确定针对不同网格尺寸的正确故障启动(图21.例如用粉红色曲线)。正则化曲线在应对故障启动时提供所需的应变值,以便与实验裂纹幻影正确相关。然后校准故障模型的输入参数,以便准确地再现裂缝发生。在本示例中,使用MAT123故障模型,基于平面EPSMAJ中的主要应变。

这种应变状态是最关键的变形模式,它对应于断裂曲线的最低点相对于给定的应变路径图17,即for..α.= 0。实际上,通常可以认为这种应变状态,即平面应变状态,是坠机应用程序中最关键的。在图17,破坏应变值取负值,因为考虑了主应变。如果为正值,则断裂应变表示为等效值。然后根据正则化曲线得到不同网格尺寸下的平面主应变(EPSMAJ)值。

假设如果其集成点的一层达到故障值,则会出现元素的故障。因此,利用完全集成的元件和五个集成层,如果元素中的四个集成点(NUMINT = 4)达到单个限制应变值(EPSMAJ),则在LS-DYNA中删除该元素。提供了一个例子图22使用MAT123故障模型。

实验结果与使用MAT123的Fe分析之间的故障预测的比较显示了每个网格尺寸的良好相关性。然而,断裂应变取决于应变路径,基于平面EPSMAJ中的主要应变的单个值的故障模型可能不足以进行准确的故障预测。然后,Mat224和Crachfem模型允许通过根据应变路径(或应力三轴性)的等效裂缝应变的表示来获得相关的失效预测。这些曲线通过以下方法获得。

每一种网格尺寸的主要平面应变(EPSMAJ)可以表示为等效断裂应变与三轴度的关系。然后,就有可能将这些值与实验值进行比较。我们注意到,在平面应变条件下,当网格尺寸为3 mm (图。20.21.:9毫秒的3毫米网格尺寸。可以假设实验值可以直接用作基于等效裂缝应变的失效模型的输入参数,即Mat224和Crachfem模型,网格尺寸为3mm。如果正则化曲线可用于特定的应力状态;假设网格依赖性对所有应变路径类似。如图所示图23,通过实验值的简单平移获得双轴膨胀和单轴张力中的等效骨折菌株(或应激三轴性)。

通过拟合这三个值,可以得到每个网格尺寸的等效断裂应变与应变路径的曲线。

缩略图 图18.

FEA与3点弯曲试验中FEA与实验的力与偏转曲线的比较。

缩略图 图19.

3点弯曲试验与有限元分析的能量吸收能力比较。

缩略图 图20.

网眼尺寸对塑料铰链区临界元素主应变的影响。

缩略图 图21.

网格正则化曲线。

缩略图 图22.

使用MAT123对3mm网格尺寸的试样进行破坏起始比较。

缩略图 图23.

网眼尺寸对等效裂缝应变的影响与应变路径曲线(或三轴性)。

4.3 B柱上的故障模型验证

根据不同网格尺寸校准并校正,3个故障模型已应用于真实的汽车组件。该测试包括在非常严重的条件下的影响A B-Pillar由压榨钢级Usibor制成®1500(厚度1.8 mm)以获得故障(图24.)。

使用MAT123,MAT224和CRACHFEM型号的模拟在相应的B柱上使用FE模型进行2mm,3mm和5 mm的电气型号进行。对于MAT123和MAT224模型,如果元素中的四个集成点(numint = 4)达到故障标准,则删除该元素。对于Crachfem模型,如果元素的外层的所有点达到临界应变值,则消除该元素。这三种材料模型能够预测每个网格尺寸的塑料铰链区域中的故障,这与实验结果一致。图25提供了MAT224模型的插图,其中指定了第一个元素删除时间和删除元素的数量。

缩略图 图24.

在受影响的B柱部件的严重影响下获得的故障®1500。

缩略图 图25.

MAT224失效模型应用于USIBOR的非常严重的受影响的B柱®1500,删除元素数量的规范和(a)2 mm,(b)3 mm和(c)5 mm网状尺寸的第一个元素删除时间。

5的结论

本文提出了一种校准三种不同故障模型的方法。这些模型基于临界应变的定义,导致考虑组件的临界区域失败。根据他们的复杂性,这些模型可以考虑到或不考虑由此定义的压力三轴η.=3. × σ.h/σ.情商哪个,在平面应力状态下,等价于应变路径定义α.=ε.1/ε.2

为此目的,根据三个应变状态(单轴拉伸状态,平面应变状态和偏心状态)测量失效菌株。使用简单的试验(使用简单的测试)暴露了两种创意:V型弯曲试验和平面应变和单轴拉伸态的双重弯曲试验。这些测试应导致失效应变测量的更好准确性,最后达到更好的故障预测。三个调查的故障模型的失效菌株已经规则化,关于使用的网格尺寸的效果。

最后,将三种模型应用于严重受冲击的真实汽车零件b柱上,并进行了三种不同网格尺寸的试验。所有失效模型的预测结果都是可靠的。在本研究中,最简单的MAT123失效模型与更复杂的MAT224和CrachFEM失效模型一样好。这可以解释为基于平面应变状态条件的破坏应变的适当选择,假定其在碰撞应用中是最关键和限制性的。这说明,对于准确的失效预测来说,对模型进行适当的校正比选择失效模型本身更重要。

参考

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  10. 有限元分析,http://www.3ds.com/products-services/simulia/products/abaqus/[谷歌学术]

引用本文:Pascal Dietsch,KévinTihay,Antoine Bui-van,Dominique Cornette,方法论在碰撞模拟期间评估骨折:断裂应变标准及其校准,金属。研究抛光工艺。114.607 (2017)

所有的数据

缩略图 图。1

20 × 80mm拉伸试样,加工孔径为10mm。

在文中
缩略图 图2

(a)用双目显微镜测量。(b)数字图像相关测量。

在文中
缩略图 图3.

双重弯曲试验:骨折在加工边缘上启动。

在文中
缩略图 图4.

双弯曲试件应变的图像相关分析。

在文中
缩略图 图5.

骨折位置附近的厚度测量。

在文中
缩略图 图6.

双弯试验和拉伸试样的减薄结果与孔等效结果的比较。

在文中
缩略图 图7.

从单轴拉伸样品中测量的均匀伸长率(UEL%)和失效应变(RA)之间没有直接连接。

在文中
缩略图 图8

Nakajima测试说明。

在文中
缩略图 图9.

通过厚度降低和DIC分析获得抗衡性膨胀条件中断裂应变的比较。

在文中
缩略图 图10.

在arcelormittal用于测量平面应变状态下的断裂菌株的缺口拉伸试样。

在文中
缩略图 图11.

左图为破碎试样,右图为双筒相机测厚。

在文中
缩略图 图12.

V型弯曲VDA-238-100的方案[8在不同弯曲角度下的试样和阿塞洛-米塔尔的试验。

在文中
缩略图 图13.

(a)由GOM Aramis系统在弯曲的外部测量的应变场。(b)通过FEA获得的厚度的应变场,裂缝菌株在外皮上取。

在文中
缩略图 图14.

比较了GOM - ARAMIS系统在不同网格尺寸下的应变测量结果与有限元计算结果。

在文中
缩略图 图15.

通过厚度测量(橙色)通过FEA(蓝色)和Notch拉伸试验得到的V型抗裂纹菌株下的裂缝菌株的值。

在文中
缩略图 图16

根据应力三轴的等效失效应变。

在文中
缩略图 图17.

例按正常韧性断裂曲线的比值α.

在文中
缩略图 图18.

FEA与3点弯曲试验中FEA与实验的力与偏转曲线的比较。

在文中
缩略图 图19.

3点弯曲试验与有限元分析的能量吸收能力比较。

在文中
缩略图 图20.

网眼尺寸对塑料铰链区临界元素主应变的影响。

在文中
缩略图 图21.

网格正则化曲线。

在文中
缩略图 图22.

使用MAT123对3mm网格尺寸的试样进行破坏起始比较。

在文中
缩略图 图23.

网眼尺寸对等效裂缝应变的影响与应变路径曲线(或三轴性)。

在文中
缩略图 图24.

在受影响的B柱部件的严重影响下获得的故障®1500。

在文中
缩略图 图25.

MAT224失效模型应用于USIBOR的非常严重的受影响的B柱®1500,删除元素数量的规范和(a)2 mm,(b)3 mm和(c)5 mm网状尺寸的第一个元素删除时间。

在文中

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