汽车用高强钢DP590的材料性能对压溃吸能的影响

王秋雨 孟根巴根 张赛娟 张茜063000) (河钢股份有限公司唐山分公司,唐山

Automobile Technology & Material - - MATERIAL APPLICATION -

1984—),作者简介:王秋雨( 女,中级工程师,硕士研究生,研究方向为高强钢、先进高强钢的冲压成形性能和碰撞性能研究分析及材料优化改进分析等。

Comper-symonds DP590摘要:基于 模型建立了 的本构方程,拟合得到应变速率系数分别为C= 1 023 260 P= 4.46、 。结果表明,随着屈服强度和抗拉强度、板料厚度的增大,吸能能力呈增大趋势,压缩时间和最大位移均呈递减趋势,但是最大碰撞力也随之增大,且抗拉强度对吸能的影响程度明显高于屈服强度,最大碰撞力 Fmax、吸能数值Ea均与板料厚度的平方 t2呈很好的线Fmax/ Ea/ t2性关系, t2、 与材料的屈服强度、抗拉强度也呈线性关系。DP590关键词: 压溃吸能 前纵梁 屈服强度 抗拉强度U461.91 B Doi:10.19710/j.cnki.1003-8817.20180097中图分类号: 文献标识码:

1 前言

对于汽车上大多数梁结构,最有效的轻量化方式就是采用先进高强钢,从而降低材料的厚度[1]。同时,汽车的轻量化也给汽车碰撞带来新的难题和

48 km/h研究方向。汽车以 的速度发生正面碰撞时,

50% ~70%前纵梁可以吸收 的碰撞能量,吸能效果最为显著[2]。因此,前纵梁的设计在被动安全中具有重要意义。本文利用有限元软件研究材料的屈服强度、抗拉强度和材料厚度对前纵梁压溃吸能的影响,为先进高强钢在汽车轻量化中的使用提供参考。

2 前纵梁仿真模型的建立 2.1 梁的结构模型

将前纵梁简化成帽形梁结构进行研究,以提 1高效率[3]。帽形梁的尺寸规格及焊点位置,如图300 mm, Ω所示。帽形梁总长度为 将钢板折弯呈10 mm,形,折弯处的圆角半径为 然后与底面同材6 mm,质的钢板进行焊接。焊核直径为 焊点间距30 mm, 20为 左、右对称焊接,焊点总数量为 个[4]。130

2.2 材料结构模型

DP590以 为例建立材料的结构模型,其性能1参数如表 所示。

压溃吸能过程是动态变化的过程,受变形速Comper- Symonds率影响较大,因此采用 应变速率DP590材料模型[5]。对 在不同变形速率下的拉伸曲线数据进行数值拟合,得到的应变率系数分别C= 1 023 260 P= 4.46为 、 。

2.3 约束条件及参数

仿真过程中,帽形梁一端用夹具固定在工作180 kg 8 333.33 mm/s台面上,质量为 的刚性墙以30 km/h) ( 的速度碰撞帽形梁[6]。焊点采用刚性spot 0.15[ 2连接[7],墙与薄壁梁的摩擦因数为 8],如图所示。

3 材料性能对压溃吸能的影响 3.1 抗拉强度对压溃吸能的影响

DP590以材质为 的帽形梁为结构模型,研究不同材料的抗拉强度对压溃吸能的影响。设置屈服强370 MPA, 590 MPA 620 MPA度为 抗拉强度分别为 、 、660 MPA 690 MPA, 1.5 mm 3 4和 板料厚度为 。图 、图所示分别为屈服强度、板料厚度相同,抗拉强度不-相同时的梁结构发生压溃时的位移 时间曲线和吸- 2能 时间曲线,其吸能主要参数如表 所示。 3 4从图 、图 可以看出,随着抗拉强度的增大,压缩时间和压缩位移呈逐渐减小的趋势,而最大碰撞力、平均碰撞力和相同位移内的吸能数值呈DP590增大的趋势。这是因为 的基体组织为单相 铁素体,马氏体呈孤岛状分布在铁素体的晶界处[9],随着材料抗拉强度的增大,马氏体的含量呈逐渐增加的趋势,由于马氏体为脆性相,硬度很高,马氏体含量增大后最大碰撞力和平均碰撞力呈增大的趋势。在碰撞过程中,随着吸能的增大,不稳定的马氏体向奥氏体转变[10],通过相变过程吸收了很多能量,因此吸能也呈增大的趋势。 设最大碰撞力峰值为Fmax,板料厚度为t,吸能量2为Ea,抗拉强度为σb,根据表 对 Fmax/ Ea/ t2、与的t2 σb函数关系进行拟合,发现二者存在很强的线性关5 6系,如图 、图 所示。对其进行线性拟合,可得: Fmax 0.067σb 69.5 1) = + ( t2 Ea 4.23σb 857.2 2) = + ( t2

3.2 屈服强度对压溃吸能的影响

340 MPA 370 MPA 390 MPA设屈服强度分别为 、 、 、

420 MPA, 645 MPA, 1.5 mm,抗拉强度为 板料厚度为7 8开展仿真。图 、图分别为屈服强度不同,抗拉-强度、板料厚度相同时帽型梁发生压溃的位移-时间曲线和吸能时间曲线,其吸能主要参数如3表 所示。 7 8从图 、图 中可以看出,随着材料屈服强度的增大,压缩位移、压缩时间和吸能呈逐渐降低的趋势,而最大碰撞力和平均碰撞力呈上升的趋势。相比之下,材料的屈服强度主要影响最大碰 撞力峰值,而对吸能曲线、压缩位移和平均作用力影响较小。这是因为当抗拉强度相同时,屈服强度增大主要是由退火后期通过增大平整压下率, DP590提高错密度实现的[11],对 内部组织分布影响不大。3 Fmax/根据表 对 t2与屈服强度σs的函数关系进9行拟合,发现两者存在很强的线性关系,如图 所示,对其进行线性拟合,可得:

4 板料厚度对压溃吸能的影响

370 MPA,设材料的屈服强度为 抗拉强度为645 MPA, 1.2 mm 1.5 mm 1.8 mm板料厚度分别为 、 、2.0 mm 10 11和 。图 、图 分别为相同材料、不同板-料厚度的帽形梁发生压溃时的位移 时间曲线和- 4吸能 时间曲线,其吸能主要参数如表 所示。

10 11从图 、图 可以看出,随着板料厚度的增加,压缩时间和压缩位移均逐渐变短,而平均碰撞力、最大碰撞力逐渐增大。增加帽形梁的板料厚度虽然可以在短时间内吸收足够多的能量,但驾驶员的冲击力也会增大。因此,为了吸收更多的能量而单纯增加板料厚度是不可行的,还需要考虑最大碰撞力的大小。4根据表 对 Fmax、Ea与 t的函数关系进行拟合, 12 13发现其存在很强的线性关系,如图 、图 所示。对其进行线性拟合,可得:

对材料厚度对压溃吸能的影响进行试验验14证,如图 所示,试验结果与模拟数值基本一致,验证了模拟数据的准确性。

5 结束语

材料性能对汽车碰撞起着至关重要的作用,抗拉强度对压溃吸能的影响明显高于屈服强度,这是由材料的显微组织分布决定的。材料的屈服

Ea/t Ea/强度与 呈线性关系,材料的抗拉强度与 t2和Fmax/ t2也呈线性关系。随着材料厚度的增大,最大碰撞力和总吸能均呈增大的趋势,并得到了试验验证。因此,为了增加总吸能单纯增大厚度是不可取的,需要配合材料和截面形式的改变。

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图14 材料厚度对压溃吸能影响试验

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