一种汽车铝合金型材零部件的碰撞仿真模拟方法与流程

本发明属于汽车零部件碰撞仿真模拟技术领域，具体涉及一种汽车铝合金型材零部件的碰撞仿真模拟方法。

背景技术：

近年来，随着汽车保有量的不断上升，交通事故数量不断增加，政府和消费者对于汽车安全的重视程度逐年提升。伴随着汽车排放和能耗方面相关法规日趋严格，汽车轻量化越来越受到行业重视，铝合金型材具有的高强度、低密度，成型工艺简单的特点使其在汽车车身上的应用越来越普遍。铝合金型材在汽车防撞横梁，吸能盒，电池框架等关键安全结构件上的应用，对于汽车安全仿真带来了新的问题：一方面与传统的钢制件不同，铝合金型材具有明显的各向异性；另一方面铝合金塑性比钢材差，在碰撞过程中更容易失效断裂，因此准确模拟汽车碰撞过程中的铝合金型材损伤失效变得尤为重要。

基于铝合金型材挤压成型的工艺特点，使得成型后的铝合金零件材料组织具有明显的方向性，在宏观层面表现为力学性能的各向异性。

现有的铝合金型材在汽车碰撞领域大多通过cae计算机辅助工程进行模拟仿真，该方法在铝合金型材零件仿真过程中存在以下两大缺陷:

1、在该方法中，铝合金型材一般均采用各向同性的材料本构，很难准确模拟型材在碰撞过程中的变形；

2、在铝合金型材的失效仿真方面，该方法均采用单一理论失效模型处理问题，而铝合金型材零件在碰撞过程中的受力状态较为复杂，现有的cae计算机辅助工程进行模拟仿真无法满足复杂应力状态铝合金型材的损伤失效仿真需求。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明公开了一种汽车铝合金型材零部件的碰撞仿真模拟方法，所述方法基于ls-dyna有限元分析软件的mat*_36(即*mat_3-parameter_barlat)号材料卡和mat*_add_erosion材料卡，通过设置铝合金型材在挤压方向、垂直挤压方向以及45°方向上的相关材料力学特性参数、损伤及失效参数和单元节点，最终实现对汽车碰撞工况的铝合金型材零部件变形及失效的准确仿真模拟。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：

一种汽车铝合金型材零部件的碰撞仿真模拟方法，所述碰撞仿真模拟方法具体步骤如下：

s1：进行铝合金型材样片级材料试验，以获得包括不同试验力状态下的试验力-位移曲线及不同应力状态下材料的失效应变在内的材料数据；

s2：结合步骤s1试验获得的材料数据，应用ls-dyna有限元分析软件，建立铝合金型材的mat*_36号材料卡和mat*_add_erosion材料卡，并确定材料卡需要标定的参数；

s3：建立材料试验仿真模型，开展包括非失效部分和失效部分在内的材料试验标定；

s4：开展铝合金型材零部件落锤冲击试验，将步骤s3中获得的标定后的材料卡带入铝合金型材零部件落锤冲击仿真模型中，通过零部件试验标定，确认最终铝合金型材零部件碰撞仿真模型。

步骤s1中，所述试验包括：静态0°拉伸、动态0°拉伸、静态45°拉伸、静态90°拉伸、圆孔拉伸、缺口拉伸、剪切试验、穿孔试验以及成型极限试验；

通过所述试验获得的试验力-位移曲线包含以下部分：

包括：静态0°拉伸静态力-位移曲线、静态45°拉伸静态力-位移曲线和静态45°拉伸静态力-位移曲线在内的静态力-位移曲线；

包括：动态0°拉伸动态力-位移曲线在内的动态力-位移曲线；

通过所述试验获得的不同应力状态下材料的失效应变包括：分别在圆孔拉伸、缺口拉伸、剪切试验和穿孔试验下，不同应力状态下材料的失效应变。

所述静态0°拉伸、静态45°拉伸以及静态90°拉伸试验通过多功能拉伸实验机实现；

所述动态0°拉伸试验通过高速拉伸试验机实现；

所述圆孔拉伸、缺口拉伸、剪切试验、穿孔试验以及成型极限试验通过多功能拉伸实验机与dic应变分析系统实现。

步骤s2中，mat*_36号材料卡中需要标定的参数包括：密度、弹性模量、泊松比、应变率-应力应变曲线和塑性应变比；

mat*_add_erosion材料卡中需要标定的参数包括：正向断裂极限曲线、剪切断裂极限曲线、成型极限曲线和损伤演化参数。

所述密度和泊松比通过查询手册获得；

所述弹性模量和塑性应变比通过步骤s1获得的静态力-位移曲线获得；

所述应变率-应力应变曲线通过步骤s1获得的静态力-位移曲线和动态力-位移曲线获得；

所述正向断裂极限曲线、剪切断裂极限曲线和成型极限曲线，通过步骤s1获得的在不同应力状态下材料的失效应变拟合得到；

所述损伤演化参数通过经验赋值。

所述步骤s3中，建立材料试验仿真模型，通过单元节点顺序定义材料试验仿真模型的型材轧制方向，将步骤s2中建立的铝合金型材材料卡片带入材料试验仿真模型，并调整铝合金型材材料卡片中的参数，直至仿真与试验力-位移曲线cor拟合度达到90％以上。

所述非失效部分标定过程为：调整mat*_36号材料卡中包括不同应变率-应力应变曲线和塑性应变比在内的参数，直至包括静态0°拉伸、动态0°拉伸、静态45°拉伸和静态90°在内的四个非失效试验工况的仿真与相应的试验力-位移曲线cor拟合度均达到90％以上，以实现对mat*_36号材料卡的材料试验标定。

所述失效部分标定过程为：调整mat*_add_erosion材料卡中包括正向断裂极限曲线、剪切断裂极限曲线和损伤演化参数在内的参数，直至包括圆孔拉伸、缺口拉伸、剪切试验和穿孔试验在内的四个失效试验工况的仿真与相应的试验力-位移曲线cor拟合度均达到90％以上，以实现对mat*_add_erosion材料卡的材料试验标定。

所述步骤s3中，先进行非失效部分标定，在进行失效部分标定；

所述非失效部分标定过程中，静态0°拉伸、动态0°拉伸、静态45°拉伸和静态90°四个非失效试验工况依次进行；

所述失效部分标定过程中，圆孔拉伸、缺口拉伸、剪切试验和穿孔试验四个失效试验工况依次进行。

所述步骤s4的具体过程如下：

首先，建立铝合金型材零部件落锤冲击仿真模型，通过单元节点顺序确定型材轧制方向，将步骤s3中以标定的铝合金型材材料卡片带入铝合金型材零部件落锤冲击仿真模型中，并提取冲击力-位移曲线；

然后，通过仿真与试验力-位移曲线对标，通过调整铝合金型材材料卡片中的参数，对铝合金型材零部件落锤冲击仿真模型进行调整，直至仿真与试验力-位移曲线cor拟合度达到90％以上；

最后，对比仿真与试验裂纹扩展范围及走向，确认最终铝合金型材零部件仿真模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明所述汽车铝合金型材零部件的碰撞仿真模拟方法，考虑了铝合金型材的成型工艺特点带来的挤压方向与垂直挤压方向的力学性能差异，采用各向异性的材料本构模拟型材零部件，可极大提升仿真模型计算准确性；

2、本发明所述汽车铝合金型材零部件的碰撞仿真模拟方法，采用diem模型模拟铝合金材料损伤失效，包含正应力破坏、剪应力破坏、颈缩失稳等多种失效理论组合应用，灵活性更强，更好地适用于碰撞工况下铝合金型材零部件的各种复杂受力工况的失效仿真；

3、本发明所述汽车铝合金型材零部件的碰撞仿真模拟方法，所使用的参数均为从样条、部件、整车试验和仿真标定中获得，确保本发明所述方法实施方便，通过调整少量参数，可快速实现对相同厂家不同批次或不同厂家生产的铝合金型材零部件的仿真模拟，有利于本发明所述方法的推广应用；

附图说明

图1为本发明所述碰撞仿真模拟方法的流程框图；

图2为本发明所述碰撞仿真模拟方法中，各步骤对应的具体过程流程框图；

图3为本发明所述碰撞仿真模拟方法中，mat*_36号材料卡片的相关参数设置示意图；

图4为本发明所述碰撞仿真模拟方法中，mat*_add_erosion相关参数设置示意图；

图5为本发明所述碰撞仿真模拟方法中，材料试验标定的具体流程框图；

图6为本发明所述碰撞仿真模拟方法中，零部件试验标定步骤中，对铝合金型材零部件进行落锤冲击试验的示意图。

图中：

1-试验加载方向，2-冲击锤，3-铝合金型材零部件，

4-冲击固定装置。

具体实施方式

为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

本发明公开了一种汽车铝合金型材零部件的碰撞仿真模拟方法，所述方法基于ls-dyna有限元分析软件的mat*_36号材料卡和mat*_add_erosion材料卡开展，其中：

所述ls-dyna有限元分析软件，是现有技术中世界著名的商用有限元分析程序，在汽车碰撞仿真领域应用较为广泛，也是占有市场份额较大的显示有限元分析软件；

所述mat*_36号材料卡，即*mat_3-parameter_barlat，是所述ls-dyna有限元分析软件中，表征平面应力状态下，各项异性板材力学行为的材料模型的材料卡；

所述mat*_add_erosion材料卡，是ls-dyna有限元分析软件中，一个定义材料断裂失效的材料卡，可以与所述mat*_36号材料卡配合使用；所述mat*_add_erosion材料卡中含有一个diem损伤模型，所述diem，即damageinitiationandevolutioncriteria，是mat*_add_erosion材料卡中的一个材料失效断裂模型。

如图1所示，本发明所述汽车铝合金型材零部件的碰撞仿真模拟方法，具体步骤如下：

s1：进行铝合金型材样片级材料试验；

本步骤s1中，如图2所示，所述试验包括：静态0°拉伸、动态0°拉伸、静态45°拉伸、静态90°拉伸、圆孔拉伸、缺口拉伸、剪切试验、穿孔试验以及成型极限试验；其中：

通过多功能拉伸实验机进行静态0°拉伸、静态45°拉伸以及静态90°拉伸试验，并分别获得包括：静态0°拉伸静态力-位移曲线、静态45°拉伸静态力-位移曲线和静态45°拉伸静态力-位移曲线在内的静态力-位移曲线；

通过高速拉伸试验机进行动态0°拉伸试验，并获得包括：动态0°拉伸动态力-位移曲线在内的动态力-位移曲线；

通过多功能拉伸实验机与dic应变分析系统进行圆孔拉伸、缺口拉伸、剪切试验、穿孔试验以及成型极限试验，并分别获得圆孔拉伸、缺口拉伸、剪切试验和穿孔试验下，在不同应力状态下材料的失效应变；

本步骤s1中，所述0°的方向是指铝合金型材的轧制挤压方向，0°拉伸即试验拉伸方向沿铝合金型材的轧制方向；所述90°的方向是指垂直于铝合金型材的轧制挤压方向；所述45°的方向是指与铝合金型材的轧制挤压方向呈45°角方向。

s2：建立铝合金型材材料卡片；

本步骤s2中，应用ls-dyna有限元分析软件中的mat*_36与mat*_add_erosion关键字，结合步骤s1试验获得的相关材料数据，建立铝合金型材材料卡，确定材料卡需要标定的参数；

如图2所示，所述材料卡需要标定的参数包括：mat*_36号材料卡中的密度、弹性模量、泊松比、应变率-应力应变曲线和塑性应变比；mat*_add_erosion材料卡中的正向断裂极限曲线、剪切断裂极限曲线、成型极限曲线和损伤演化参数；其中：

所述mat*_36号材料卡中，所述密度和泊松比根据具体的铝合金材料通过查询手册获得，所述弹性模量和塑性应变比通过步骤s1获得的静态力-位移曲线获得，所述应变率-应力应变曲线通过步骤s1获得的静态力-位移曲线和动态力-位移曲线获得；

所述mat*_add_erosion材料卡中，正向断裂极限曲线、剪切断裂极限曲线和成型极限曲线，通过步骤s1获得的在不同应力状态下材料的失效应变拟合得到，所述损伤演化参数通过经验赋予相应的具体参数值。

s3：建立材料试验仿真模型，开展材料试验标定；

在本步骤s3中，建立材料试验仿真模型，通过单元节点顺序定义材料试验仿真模型的型材轧制方向，即步骤s1中所述的0°方向，将步骤s2中建立的铝合金型材材料卡片带入材料试验仿真模型，并调整铝合金型材材料卡片中的相关参数，直至仿真与试验力-位移曲线cor拟合度达到90％以上，实现材料试验标定；

所述试验力-位移曲线包括步骤s1获得的静态力-位移曲线和动态力-位移曲线；

所述材料试验标定包括：非失效部分标定和失效部分标定；如图5所示，首先进行非失效部分标定，在进行失效部分标定，其中：

所述非失效部分标定，依次包括：静态0°拉伸、动态0°拉伸、静态45°拉伸和静态90°拉伸四个非失效试验的标定，非失效部分试验标定依次进行；

所述非失效部分标定过程为：调整mat*_36号材料卡中包括不同应变率-应力应变曲线和塑性应变比在内的参数，直至四个非失效试验工况的仿真与相应的试验力-位移曲线cor拟合度均达到90％以上，以实现对mat*_36号材料卡的材料试验标定；

上述非失效部分标定过程中，首先，通过缩放不同应变率应力-应变曲线系数使得动静态的0°拉伸力-位移曲线结果达到匹配，然后，对静态45°拉伸和静态90°拉伸进行对标，通过调整塑性应变比以实现四个非失效试验工况的仿真与试验力-位移曲线相匹配；

上述非失效部分标定过程中，由于0°、45°和90°三个方向的拉伸工况存在耦合，需反复调整不同应变率应力-应变曲线的缩放系数和塑性应变比以满足最终0°、45°、90°拉伸仿真和步骤s1的试验对标结果cor拟合度均大于90％；

所述mat*_36号材料卡的相关参数设置如图3所示；

所述失效部分标定，依次包括：圆孔拉伸、缺口拉伸、剪切试验和穿孔试验四个失效试验的标定，失效部分试验标定依次进行；

所述失效部分标定过程为：调整mat*_add_erosion材料卡中包括正向断裂极限曲线、剪切断裂极限曲线和损伤演化参数在内的参数，直至四个失效试验工况的仿真与相应的试验力-位移曲线cor拟合度均达到90％以上，以实现对mat*_add_erosion材料卡的材料试验标定；

上述非失效部分标定过程中，首先，在完成非失效部分仿真标定的mat*_36材料卡片中，增加mat*_add_erosion关键字，然后，输入关于diem损伤模型的正向断裂极限曲线、剪切断裂极限曲线和成型极限曲线等相关参数，通过调整正向断裂极限曲线、剪切断裂极限曲线和成型极限曲线的缩放系数使得圆孔拉伸、缺口拉伸、剪切试验和穿孔试验的断裂应变与步骤s1试验相吻合；

上述非失效部分标定过程中，由于圆孔拉伸、缺口拉伸、剪切试验和穿孔试验工况之间存在耦合，故需对正向断裂极限曲线、剪切断裂极限曲线和成型极限曲线的缩放系数进行反复调整，以满足最终四个失效试验工况的仿真与试验力-位移曲线cor拟合度均大于90％；

所述mat*_add_erosion材料卡的相关参数设置如图4所示；

本步骤s3中，所述cor拟合度是一种评价两条曲线相似度的方法，通过评价两条曲线峰值时刻、峰值大小、峰值面积、低频趋势以及整个历程的曲线形状五个指标的相似度获得。

s4：开展铝合金型材零部件落锤冲击试验及零部件试验标定，确认最终铝合金型材零部件碰撞仿真模型；

本步骤s4中，如图4所示，铝合金型材零部件3底部竖直安装在冲击固定装置4上，冲击锤2从顶部沿着试验加载方向1向铝合金型材零部件3施加冲击力，基于以上，首先，建立铝合金型材零部件落锤冲击仿真模型，通过单元节点顺序确定型材轧制方向，将上述步骤s3中以标定的铝合金型材材料卡片带入铝合金型材零部件落锤冲击仿真模型中，并提取冲击力-位移曲线；然后，通过仿真与试验力-位移曲线对标，通过调整铝合金型材材料卡片中的参数，对铝合金型材零部件落锤冲击仿真模型的网格尺寸进行调整，直至仿真与试验力-位移曲线cor拟合度达到90％以上；最后对比仿真与试验裂纹扩展范围及走向，确认最终铝合金型材零部件仿真模型。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。