考慮成形損傷的抗撞零件仿真設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及車身高強(qiáng)度抗撞零件，更確切地說，本發(fā)明涉及一種考慮成形損傷的 車身高強(qiáng)度抗撞零件仿真設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，能源危機(jī)和環(huán)境問題使得輕量化技術(shù)成為汽車業(yè)界的焦點。如何在保證 車身抗撞性的前提下，實現(xiàn)車身輕量化成為輕量化領(lǐng)域的熱點問題。超高強(qiáng)度硼鋼以其高 減重潛力、高碰撞吸能、高疲勞強(qiáng)度及低平面各向異性等優(yōu)勢，已成為汽車工業(yè)的主要材 料，被廣泛應(yīng)用于車身抗撞零件，如：A/B/C柱、門檻梁、側(cè)邊梁、車門防撞梁上。然而，隨著 鋼板強(qiáng)度的提高，其成形性能也相應(yīng)惡化，采用傳統(tǒng)沖壓成形工藝會產(chǎn)生回彈嚴(yán)重、成形困 難、容易開裂等諸多問題。為克服上述問題，高強(qiáng)度鋼熱成形技術(shù)應(yīng)運而生，其具體過程為： 將硼鋼加熱到900°C左右，使微觀組織由鐵素體+珠光體轉(zhuǎn)化為均勻的奧氏體，然后在帶有 冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形，保壓同時快速淬火冷卻，使奧氏體完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，大幅度 提高零件強(qiáng)度。
[0003] 隨著計算機(jī)仿真技術(shù)日趨成熟，人們開始利用數(shù)值仿真的方法設(shè)計車身高強(qiáng)度抗 撞零件，其設(shè)計過程主要分為兩步：模擬車身高強(qiáng)度抗撞零件的熱成形過程和仿真成形后 零件抗撞性能的評估?，F(xiàn)階段，仿真技術(shù)已經(jīng)可以較好地模擬實際成形過程中板料所受應(yīng) 力-相變-溫度三場的耦合作用，能夠得到仿真成形后的零件模型，它可以較準(zhǔn)確地預(yù)測出 實際成形后零件的應(yīng)力分布、相組成、溫度分布、厚度分布等。但是，實際熱成形過程中位錯 密度隨成形而改變，導(dǎo)致材料產(chǎn)生微小損傷（微孔洞和微裂紋），其演化和擴(kuò)展產(chǎn)生破裂失 效，會對零件使用性能產(chǎn)生很大影響。而在仿真成形后零件抗撞性能評估階段，往往因忽略 了零件熱成形過程中產(chǎn)生的成形"損傷"及不同部位損傷程度的差異性，認(rèn)為整個零件為理 想的馬氏體相材料，而影響后續(xù)仿真計算的精度，甚至?xí)蚍抡嬷羞^高地估計了成形后零 件的抗撞性能，導(dǎo)致實際生產(chǎn)中不合理結(jié)構(gòu)設(shè)計的產(chǎn)生。
[0004] 因此，需要一種方法能夠在車身高強(qiáng)度抗撞零件仿真成形后的抗撞性能評估階段 將熱成形損傷考慮在內(nèi)，提高其抗撞性能的評估精度，增強(qiáng)車身高強(qiáng)度抗撞零件仿真設(shè)計 對實際設(shè)計的指導(dǎo)意義，使得實際設(shè)計的車身高強(qiáng)度抗撞零件更容易達(dá)到設(shè)計目標(biāo)要求， 從而減少試驗次數(shù)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的車身高強(qiáng)度抗撞零件仿真 設(shè)計時忽略零件不同部位成形損傷繼承特性所導(dǎo)致的后續(xù)仿真計算精度不足及零件結(jié)構(gòu) 設(shè)計不合理的問題，提供了一種考慮成形損傷的抗撞零件仿真設(shè)計方法，具體技術(shù)方案如 下：
[0006] 考慮成形損傷的抗撞零件仿真設(shè)計方法，其特征在于步驟如下：
[0007] 步驟一、建立車身高強(qiáng)度抗撞零件熱成形損傷準(zhǔn)則，具體過程為：
[0008] 1)材料高溫單向拉伸試驗
[0009] 利用熱模擬試驗機(jī)對硼鋼試件進(jìn)行一系列高溫單向拉伸試驗，試驗前利用點焊機(jī) 將K型熱電偶絲（1)的一端焊在每個試件（2)上表面的中央，K型熱電偶絲（1)另一端保 持自由釋放，試驗中先將試件（2)夾緊于熱模擬試驗機(jī)的夾具內(nèi)，同時將K型熱電偶絲（1) 自由釋放的一端與熱模擬試驗機(jī)相連，隨后，對熱模擬試驗機(jī)內(nèi)部空間進(jìn)行抽真空處理，利 用電阻加熱方式實現(xiàn)試件（2)的加熱過程，而冷卻過程中則通過調(diào)節(jié)壓縮空氣的流量控制 試件（2)的冷卻速度，具體試驗方案如下：
[0010] ⑴將試件⑵以5°c /s的加熱速率加熱至925°C后保溫3min，確保試件⑵的 微觀組織完全奧氏體化；
[0011] (2)以50°C /s的冷卻速率使試件（2)依次降至變形溫度600°C、700°C、800°C，并 在各變形溫度下保溫5s使試件（2)溫度均勻穩(wěn)定；
[0012] (3)在設(shè)定的變形溫度 600°(：、700°(：、800°(：和變形應(yīng)變率0.0181、0.181、18 1、 IOs1下對試件（2)進(jìn)行拉伸，直至斷裂破壞，斷裂后對得到的拉伸后試件（8)進(jìn)行空冷， 整個拉伸過程中熱模擬試驗機(jī)會同時記錄載荷隨時間變化、溫度隨時間變化的曲線，整個 高溫單向拉伸試驗包含3個變形溫度和4個變形應(yīng)變率組合成的12組試驗條件，分別 為：變形溫度600°C和變形應(yīng)變率0.0 ls \變形溫度600°C和變形應(yīng)變率0.1 s \變形溫度 600°C和變形應(yīng)變率Is \變形溫度600°C和變形應(yīng)變率IOs \變形溫度700°C和變形應(yīng)變 率0.0 ls \變形溫度700°C和變形應(yīng)變率0.1 s \變形溫度700°C和變形應(yīng)變率Is \變形溫 度700°C和變形應(yīng)變率IOs \變形溫度800°C和變形應(yīng)變率0.0 ls \變形溫度800°C和變形 應(yīng)變率0.1 s \變形溫度800°C和變形應(yīng)變率Is \變形溫度800°C和變形應(yīng)變率IOs \每組 試驗條件下進(jìn)行一次高溫拉伸試驗，將試驗中熱模擬試驗機(jī)測得的載荷隨時間變化的曲線 F(t)按照公式⑴換算為試件⑵的名義應(yīng)力隨時間變化的曲線〇_(t)，將CCD攝像機(jī) (3)測得的試件（2)的標(biāo)距段長度隨時間變化的曲線AL(t)按照公式⑵換算為試件（2) 的標(biāo)距段名義應(yīng)變隨時間變化的曲線ε _(t)，按照公式（3)將試件（2)的名義應(yīng)力隨時間 變化的曲線〇_(t)換算為試件（2)的真實應(yīng)力隨時間變化的曲線 〇t_(t)，按照公式（4) 將試件（2)的標(biāo)距段名義應(yīng)變隨時間變化的曲線e_(t)換算為試件（2)的標(biāo)距段真實應(yīng) 變隨時間變化的曲線ε t_(t)，并消去兩曲線中的時間變量t，以真實應(yīng)變ε 為自變量， 真實應(yīng)力為因變量，得到每一試驗條件下的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線σ et_):
[0013]
[0014] 式中：F(t)為載荷隨時間變化的曲線；A。為試件標(biāo)距段原始橫截面積；σ _(t)為 試件的名義應(yīng)力隨時間變化的曲線。
[0015]
[0016] 式中：AL(t)為試件的標(biāo)距段長度隨時間變化的曲線；L。為試件標(biāo)距段原始長 度；ε _(t)為試件的標(biāo)距段名義應(yīng)變隨時間變化的曲線。
[0017]
[0018] 式中：〇 _(t)為試件的名義應(yīng)力隨時間變化的曲線；ε _(t)為試件的標(biāo)距段名 義應(yīng)變隨時間變化的曲線；σ t_(t)為試件的真實應(yīng)力隨時間變化的曲線。 CN 105160066 A VL 3/18 貝
[0019]
[0020] 式中：ε _(t)為試件的標(biāo)距段名義應(yīng)變隨時間變化的曲線；ε t_(t)為試件的標(biāo) 距段真實應(yīng)變隨時間變化的曲線。
[0021] 2)建立基于成形損傷的本構(gòu)方程：
[0022] (1)建立基于成形損傷的本構(gòu)方程，以考慮熱成形時材料的損傷，具體表達(dá)式如 下：
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]
[0028]
[0029]
[0030] 式中： 是成形時的等效塑性應(yīng)變率；％是成形時的等效應(yīng)力；H是成形時由位 錯引起的應(yīng)變強(qiáng)化；成形損傷變量fdl，其變化范圍為〇~1，fdl = 〇時表示成形時材料沒有 損傷，fdl= 1時表示成形時材料完全失效；￥為成形時的塑性應(yīng)變率分量；S1,為成形時的 偏應(yīng)力分量；^ = A,，P1為材料初始狀態(tài)下的位錯密度，P "為成形時材料可達(dá)到 的最大位錯密度，且P1S P彡P(guān) "，即K歹SU σ U是成形時的應(yīng)力張量分量；是成形 時的總應(yīng)變張量分量；是成形時的塑性應(yīng)變張量分量；D1]kl是四階剛度張量分量；E是楊 氏模量；υ是泊松比；δ 為克羅內(nèi)克因子，下標(biāo)i、j、k、1變化范圍為1~3,重復(fù)下標(biāo)遵 循愛因斯坦求和約定。
[0031] 參數(shù)1^、1(、111、8、(：、04是與溫度相關(guān)的材料參數(shù)，定義如下 ：
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]
[0038]
[0039] 式中：R為通用氣體常數(shù)；T為溫度；Q為激活能。
[0040] ⑵確定本構(gòu)方程中的材料參數(shù)：
[0041] 首先，建立求解問題的目標(biāo)函數(shù)，然后對目標(biāo)函數(shù)應(yīng)用進(jìn)化規(guī)劃算法進(jìn)行優(yōu)化，最 終確定本構(gòu)方程中的材料參數(shù)，這里，需要確定的材料參數(shù)總共有20個，依次為：Α、η 2、γ i、 y 2、k0、n0、K0、n10、 B〇、C〇、D〇、E〇、Qji' Qk、Qn、Qb、Qc、Qd、Qe、R〇
[0042] 根據(jù)擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)之間的距離建立目標(biāo)函數(shù)：
[0044] 式中：f (X)是關(guān)于20個未知材料參數(shù)所構(gòu)成矢量X = (A, n2, ...，QE，R)的實值函 數(shù)；η為試驗數(shù)據(jù)的總?cè)萘?Wl為第i數(shù)據(jù)點的權(quán)重值； <，<分別為第i個試驗數(shù)據(jù)對應(yīng) 的應(yīng)力和應(yīng)變值；Of，<分別為與第i個試驗數(shù)據(jù)相對應(yīng)的擬合曲線上的應(yīng)力和應(yīng)變值
為使擬合曲線應(yīng)變區(qū)間向試驗數(shù)據(jù)收斂，將 < -< 加入以幻 得到：
PO)
[0046] 式中：W為權(quán)重系數(shù)；
[0047] 為降低實際使用過程中確定權(quán)重值的難度及克服應(yīng)力應(yīng)變單位不一致的問題，最 終建立的目標(biāo)函數(shù)如下：
[0052] 采用改進(jìn)的快速進(jìn)化規(guī)劃算法對建立的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定全部材料參數(shù)， 進(jìn)化規(guī)劃算法把目標(biāo)函數(shù)作為生物種群，通過突變，選擇產(chǎn)生新一代種群；重復(fù)這一過程， 直到獲得合乎要求的種群或規(guī)定的進(jìn)化時限，詳細(xì)的進(jìn)化規(guī)劃是一個迭代的過程：
[0053] [1]取迭代計數(shù)k = 1，隨機(jī)生成μ個種群，即隨機(jī)輸入μ組矢量對（Xl，Tl J，其 中苓=('^，...屬,/0*111為進(jìn)化規(guī)劃自適應(yīng)策略參數(shù)，1 = 1，2,3，...，4;
[0054] [2]對于每個個體矢量對（Xi, q i)，計算f (Xi);
[0055] [3]對于每個父代矢量對（Xl，n i)，生成兩個子代矢量對和(?)，其中：
[0056]
(24)
[0057] 計算并比較/(.<(/))和/(< (刀）的大小，取兩者較小者所對應(yīng)的矢量對，記為 (X1,, O，其中 X1(J)，X1, (j)，η 山·），H1, (j)分別為矢量 X1, Xl，，H1, H1，的第 j 個分 量（j = 1，2,. . .，n，n為待優(yōu)化材料參數(shù)的個數(shù)）；N(0, 1)為服從一維標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī) 數(shù)；Nj (0, 1)為服從一維標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布對應(yīng)于第j個分量的隨機(jī)數(shù)；δ 為服從柯西分布對 應(yīng)于第j個分量的隨機(jī)數(shù)；參數(shù)τ 1和τ分別取
標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布和柯西分 布的密度函數(shù)分別為：
[0058]
[0059]
[0060] [4]對于所有的i = 1，2, 3, . . .，μ，將所有的父代矢量對（Xl，q J和子代矢量對 (χΛ η/)作為一個整體，取出q個矢量對，然后，將所有父代和子代矢量對中的任意一個 矢量對與取出的q個矢量對作比較，比較矢量對所對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值，如果該矢量對小于q 個矢量對中的某一個，則該矢量對得分加1，所有矢量對的最高得分為q，最低得分為〇 ;
[0061] [5]從2μ個矢量對中選出得分最高的μ個矢量對，作為下一次迭代的父代矢量 對；
[0062] [6]判斷迭代結(jié)束條件是否滿足；如