汽车金属材料断裂失效模型研究

随着CAE技术的发展,金属材料的断裂失效预测在汽车行业受到越来越多的重视,尤其是在整车碰撞等大变形情况下,高强度钢等金属材料的断裂失效模拟及预测显得尤为重要。文章以热成型钢B1500HS为研究对象,对比了显式动力学软件LS-DYNA中GISSMO及DIEC 2种失效模型,并通过一系列材料力学实验,获得了以上两种失效模型的相关参数。最终通过设计热成型B柱子系统试验对上述两种失效模型进行对比验证。结果表明,在本文案例中,DIEC失效模型可以更准确预测热成型钢的断裂失效行为。该研究可为CAE分析中高强钢等金属材料模型的选取及设置提供参考。     

汽车动力总成悬置的碰撞失效模拟研究

汽车动力总成悬置在正面碰撞中对纵梁变形模式有着重要影响。为准确预测悬置的碰撞断裂失效行为,开展了铸铝材料的力学性能试验。基于Crach FEM韧性失效准则,建立带有失效准则的铸铝材料卡片,通过对悬置支架的落锤冲击试验和模拟对标,验证了铸铝材料卡片的准确性和悬置建模方法的可靠性。整车碰撞仿真结果表明,Crach FEM失效模型能准确模拟悬置断裂失效过程,使纵梁变形模式和车身加速度响应更贴合试验结果,提高汽车动力总成碰撞仿真的精度,为碰撞性能开发提供仿真评估手段。     

汽车安全碰撞仿真的材料断裂卡片对比研究

为研究不同硬化和断裂模型对汽车材料仿真精度的影响，设计并进行了DP590板材在多种应力状态下的材料级别力学试验。根据试验结果标定了路德维克（Ludwik）、斯威夫特（Swift）、沃斯（Voce）、霍克特-谢尔比（H-S）、斯威夫特-霍克特谢尔比（S-HS）5种硬化模型和修正摩尔库仑（MMC）、损伤起始和演化模型（DIEM）、约翰逊-库克（J-C）3种断裂模型。使用上述模型进行了试样级仿真和防撞梁落锤试验及仿真。对比结果表明，S-HS硬化模型和MMC断裂模型对于材料的变形行为和断裂行为的预测结果最精确。结合其他研究成果，推荐使用S-HS硬化模型结合MMC断裂模型预测高强钢板材塑性变形和断裂行为。     

超高强钢材料碰撞失效行为仿真预测技术研究

为了提高超高强钢材料在整车碰撞过程中的失效行为仿真预测精度，对比分析了主流求解器LS＿DYNA中GISSMO等6种典型失效模型的原理，并针对GISSMO失效模型中影响整车碰撞失效仿真精度最为关键的参数材料断裂极限应变及网格尺寸修正特性设置方法进行了研究。断裂极限应变标定过程中应变路径存在非线性，需要采用加载历程平均应力三轴度来进行描述；默认的网格修正设置方法难以兼顾不同应力状态，采用自定义的网格尺寸修正设置方法可以有效提高典型应力状态下不同网格尺寸模型仿真预测结果的一致性。     

新能源动力电池包箱体挤压失效数值分析

针对新能源动力电池包箱体在挤压时,出现的大面积材料撕裂失效行为,提出一种基于广义增量应力状态依赖性损伤模型（GISSMO）材料断裂准则,采用LS-Dyna软件进行有限元分析建立实验数值模型的方法,通过设计失效物理样件,开展材料单向拉伸实验、胀形实验,标定不同应力三轴度状态下的失效塑性应变值,同时引入累积损伤参数以考虑累积损伤因素的影响。运用三点弯曲实验,矫正材料失效本构模型,通过比对箱体的挤压实验与仿真模拟结果,发现材料的失效区域、位置及过程失效行为均有较好的一致性,挤压力位移曲线的吻合度较高,验证了所得的基于GISSMO材料断裂准则失效计算模型,可以准确预测动力电池包箱体受到挤压破坏时产生的裂纹产生、材料失效问题。     

6061铝合金搅拌摩擦焊接头失效行为仿真方法研究

针对6061铝合金搅拌摩擦焊接头失效行为仿真方法进行研究。考虑焊缝及热影响区性能降低的规律,提出对接头不同区域进行精确划分的建模方法。对不同区域赋予不同材料力学性能,建立了铝合金搅拌摩擦焊接头拉伸样件的精细模型,并通过试验验证了精细模型的有效性。为保证在整车碰撞模型中的计算效率,提出将精细模型转化为等效简化模型的方法。将精细模型的材料属性、区域划分简化后赋予等效模型,其仿真峰值力与试验结果一致性良好,表明该等效模型可以表征搅拌摩擦焊接头力学性能,满足精度要求。     

焊点高速性能评价及材料卡开发

基于载荷和弯矩的失效模型,通过焊点搭接拉伸、剥离拉伸、十字拉伸3种断裂试验,获取试验数据,通过数据处理,确定焊点100#材料卡所需标定参数。并对所获得的材料卡进行模拟验证,确认100#材料卡在整车碰撞过程中,关键敏感部位焊点失效预测可以达到90%以上的准确性。     

复杂工况下铆粘复合接头的碰撞仿真研究

以母材为铝板的自冲铆接+粘接复合连接点为研究对象，前期通过设计连接点拉剪、撕裂和正拉3种工况下的动态拉伸试验和CAE仿真建模标定，准确获取了CAE仿真模型本构关系中的各项参数，最后对叠加多种工况的T型部件开展CAE碰撞仿真与高速撞击对比验证试验，CAE仿真准确预测连接点的失效，仿真精度达到了95.9%，精准表征了铆粘复合连接点在混合复杂工况下的变形与失效行为，在整车碰撞CAE仿真中具有较高的实用性。     

压气机叶轮失效转速预测方法研究

增压器工作转速极高,在工作时会出现转速急剧上升的情况,若叶轮破裂,将对增压器造成灾难性后果.在产品研发前期,利用数值模拟方法获得压气机叶轮的最高失效转速有着重要的意义.开展叶轮材料2A70拉伸试验,建立材料弹塑性本构模型,为叶轮仿真模拟提供材料边界.通过压气机叶轮的超转速破坏试验和压气机叶轮的仿真模拟研究,提出基于M ises应力、主塑性应变和等效塑性应变能3种叶轮失效转速预测方法,并对3种方法进行分析比较.研究结果表明:M ises应力预测失效转速的方法精度最高,相对试验偏差为4.2％;等效塑性应变能和主塑性应变预测失效转速的方法偏差相对较大,相对试验偏差分别为6.9％ 和8.8％;3种预测方法最大失效转速均偏大.     

金属板材高精度断裂卡片研发及应用

开发高精度的断裂卡片,仿真预测汽车零部件在使用过程中的变形及断裂行为是目前汽车行业的迫切需求和技术难点。以金属板材为使用对象,介绍了LS＿DYNA软件中常用的各向同性、各向异性本构模型,即常应变、Johnson-Cook、GISSMO、MMC、DIEM、DF2012/2014/2016、PDrucker七种断裂失效模型的发展、开发方法及应用情况。应用结果表明,考虑应力状态影响的高精度断裂卡片能用于评估同级别材料的断裂性能差异,能较好地预测6016铝合金发动机罩内板冲压、热成形B柱准静态三点静压、防撞梁动态落锤冲击中的变形及断裂行为,表明开发高精度断裂卡片具有较高的准确性和适用性。     

汽车用先进高强钢板材断裂性能研究进展

根据汽车碰撞过程的动态应变响应和大变形特点,针对汽车用先进高强钢板材,从断裂失效机理、影响材料断裂行为的关键因素、断裂预测模型、基于复杂承载工况下材料的断裂预测模型建立方法等多方面进行论述。基于应力三轴度、洛德角、应变速率及极限断裂应变于一体的断裂准则模型,相比于传统方法可实现对汽车安全件碰撞性能的高精度预测,具有行业推广应用价值。     

弹簧制动缸支架失效分析与解决方案

针对某商用车后桥弹簧制动缸支架在可靠性试验中发生断裂问题,综合运用失效零件形貌分析、材料性能检验、有限元仿真分析等方法展开研究,根据有限元强度与刚度仿真分析结果确定了失效原因,并进行了结构优化。优化结构经仿真验证,强度与刚度均能满足使用要求,并通过可靠性试验验证。通过有限元仿真分析的方法解决了弹簧制动缸支架断裂失效的问题并且起到了轻量化的效果,验证了有限元仿真分析的准确性,并为解决类似结构的失效问题提供了可靠的仿真依据。     

电驱动总成差速器壳体疲劳可靠性分析

对电驱动总成的差速器壳体进行疲劳可靠性分析，采用ANSYS有限元仿真软件建立差速器壳体仿真模型，计算得到其应力水平及变化规律，基于Goodman平均应力修正法及Miner线性累积损伤理论预估差速器壳体各关键部位的疲劳寿命；同时搭建疲劳耐久试验台架，对差速器壳体的疲劳可靠性进行试验验证，发现经过一定试验循环后差速器壳体轴颈部位发生断裂，与仿真预测的失效部位一致。     

减震胶粘接结构烘烤变形机理的仿真分析

针对汽车车身中的减震胶粘接结构在烘烤固化后出现凹陷变形的问题,在试验研究的基础上,开展了有限元仿真模拟研究。通过选取合理的仿真材料模型,实现了汽车常用减震胶粘剂的固化特性、膨胀特性及粘弹性特性的仿真再现。在此基础上,建立了粘接结构有限元模型,并通过简单样件试验及模拟对模型进行了调试和验证。将模型用于轿车车顶结构的模拟分析,成功预测了车顶结构在烘烤固化后的变形行为。     

铝合金焊接结构塑性变形及断裂失效预测方法

铝合金焊接接头力学性能不均匀加大了焊接结构变形及开裂失效预测的难度。通过特殊样件拉伸试验,结合有限元反求方法获得了铝合金焊接接头焊缝、热影响区局部材料参数,建立从细观损伤力学角度预测铝合金焊接结构变形开裂的GTN(Gurson-Tvergaard-Needlemen)损伤模型。将焊接接头按照材料性能差异进行分区,构建精细有限元模型,采用Ls-dyna软件结合GTN损伤模型对铝合金拼焊薄壁梁结构轴向压溃变形及开裂失效进行了预测,预测结果与试验吻合很好,验证了该方法的有效性。     

汽车碰撞安全与轻量化研发中的若干挑战性课题

汽车结构与动力电池的碰撞安全性是开发轻量化、电动化汽车的强制性要求和关键基础性支撑技术。通过3个方面的10个典型课题及研究结果,介绍并综述了汽车碰撞安全性研发的技术挑战。第一,采用夹层式汽车前舱罩盖技术,提升罩盖结构力学特性的横向均匀性以及冲击响应历程的均匀性,满足汽车吸能位移限定下的行人头部碰撞响应控制;采用精细人体有限元模型解析复杂工况下行人下肢损伤机理和影响参数,基于人体组织损伤层面的虚拟评估改进汽车结构的人体碰撞保护设计;面向复杂道路交通事故工况和多样化人体特征,解决强非线性条件下的自适应乘员智能保护系统优化设计难题,通过在时间和空间上对乘员约束载荷的均衡化实现针对工况可调的碰撞保护。第二,揭示材料冲击测试中系统共振导致信号振荡和材料屈服放大振荡的机理,开发抑制信号振荡的轻质动态力传感器;精细表征材料在碰撞载荷和复杂应力状态下的力学行为,针对高强钢、塑料、胶粘和焊点等轻质高强材料及复合连接接头建立大变形失效断裂预报方法及仿真模型。第三,基于动力电池多工况挤压试验,建立电池在外载荷作用下的材料失效、电压陡降与温度上升的响应特征关联性,提出用力学响应特征预测电池内部损伤起始和短路发生的判据,解决电池在机械滥用载荷下的短路预测问题,建立能准确预测电池变形响应的数值模型及碰撞安全评估方法,并应用于电池包和电动车的轻量化与碰撞安全性设计。     

整车焊点失效预测的研究及应用

通过在CAE模型中对焊点添加失效判据,解决了汽车碰撞有限元模拟中难以准确预测焊点失效的问题。基于焊点力学性能试验获取的焊点失效参数建立焊点失效判据;通过多焊点部件的仿真与试验对比,验证了焊点失效判据的有效性。结果表明,添加焊点失效判据能反映真实的焊点受力和失效情况。在整车碰撞模型中进行焊点失效预测,并通过与实车碰撞结果的对比,表明该方法能准确预测出实车碰撞中的焊点失效情况,对整车碰撞安全设计具有指导意义。     

空心稳定杆设计及失效分析

阐述了空心稳定杆在整车中如何进行布置,提出一种基于CATIA的有限元分析方法,对空心稳定杆的扭转刚度及其应力分布进行了分析,准确定位空心稳定杆危险截面。对空心稳定杆进行台架试验,并对台架试验中出现的断裂失效件进行了断口表征、硬度、表面脱碳及金相组织分析,确认其断裂失效的根本原因,提出了改进方案,最终改进件通过了台架试验。     

某柴油机连杆结构改进与评估

针对某柴油机连杆在疲劳强度验证试验过程中发生的螺纹底孔位置断裂失效故障,进行了连杆试验载荷、材料性能、宏观断口及结构应力分析,指出了螺栓孔底部过渡尖锐造成应力集中是导致连杆在循环载荷作用下疲劳断裂的主要原因,据此提出连杆螺栓孔结构改进设计方案,通过结构应力仿真、疲劳强度仿真分析以及疲劳试验验证,结果均表明结构改进合理有效。     

面向侧气囊爆破仿真的复杂层合软饰材料性能测试与建模

本文针对顶衬侧气囊爆破仿真,为了充分体现顶衬饰板在爆破过程中的力学传递作用,在考虑顶衬饰件材料构成及各层力学性能特点的基础上,建立了基于各层实际力学性能的仿真结构模型,对各层材料参数模型选用适合的材料本构模型进行表达。并进一步介绍了相关本构模型中失效参数的标定方法,从而形成了适用于侧气囊爆破仿真的顶衬材料完整准确表达。最后通过仿真试验对标验证了方法的可行性与有效性。