國內(nèi)汽車行業(yè)高應(yīng)變速率拉伸曲線現(xiàn)狀及對(duì)策探析
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摘要：高應(yīng)變速率拉伸曲線是碰撞模擬仿真的關(guān)鍵數(shù)據(jù)輸入，直接影響到模擬仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，國內(nèi)開展高應(yīng)變速率拉伸曲線的研究及應(yīng)用起步較晚，存在著對(duì)比性一致性差、數(shù)據(jù)積累不足等問題。通過聯(lián)合行業(yè)構(gòu)建行業(yè)平臺(tái)，成立規(guī)范制定、曲線檢測(cè)、數(shù)據(jù)體系構(gòu)建的共性技術(shù)研究機(jī)制，是解決這一問題的有效途徑。
關(guān)鍵詞：碰撞模擬仿真;行業(yè)現(xiàn)狀;應(yīng)對(duì)策略;高應(yīng)變速率拉伸曲線
模擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)研發(fā)以來，為汽車行業(yè)帶來巨大的變化，在縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本的同時(shí)，提高了汽車的產(chǎn)品質(zhì)量與安全性。近些年來，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，CAE技術(shù)應(yīng)用的廣度及深度也在不斷加強(qiáng)，從開始的驗(yàn)證設(shè)計(jì)逐漸過渡到引導(dǎo)設(shè)計(jì)。例如，上世紀(jì)90年代，某整車企業(yè)引入模擬仿真技術(shù)以后，研發(fā)周期縮短了一半、樣車數(shù)量減少到三分之一。
汽車碰撞模擬仿真技術(shù)是汽車模擬仿真設(shè)計(jì)中十分重要的領(lǐng)域，精確的碰撞模擬仿真技術(shù)對(duì)于汽車企業(yè)設(shè)計(jì)研發(fā)十分重要。第一，被動(dòng)安全性能是消費(fèi)者十分關(guān)注的、整車廠十分在意的汽車性能，并且隨著消費(fèi)者對(duì)汽車安全水平的要求不斷提高及C-NCAP標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步加嚴(yán)，模擬仿真部門將面臨更大的壓力。第二，國家油耗及排放法規(guī)逐步收緊，到2020年，汽車企業(yè)平均燃油消耗量要達(dá)到5L/100Km[1]，比國五嚴(yán)格30%的國六排放法規(guī)也要在2016年底完成，而輕量化是解決能耗并同時(shí)提高汽車操控性能的有效途徑[2]。目前，國內(nèi)汽車企業(yè)普遍存在“過設(shè)計(jì)”問題，如果通過精確的設(shè)計(jì)來消除“過設(shè)計(jì)”并不至于“欠設(shè)計(jì)”，是汽車設(shè)計(jì)師重點(diǎn)關(guān)注的問題。第三，CAD技術(shù)與CAE技術(shù)融合，模擬仿真驅(qū)動(dòng)整車設(shè)計(jì)是未來汽車設(shè)計(jì)與模擬仿真的趨勢(shì)，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的前提是提高模擬仿真的精確度和置信度。通過以上分析，進(jìn)一步提高碰撞模擬仿真精確度迫在眉睫。
碰撞模擬仿真技術(shù)主要涉及到幾何、網(wǎng)格、約束、載荷、單元、物理參數(shù)等六大要素，前五大要素經(jīng)過不斷的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)基本解決，而材料物理參數(shù)尤其是其中的高應(yīng)變速率拉伸曲線的數(shù)據(jù)獲取及精確度成為制約汽車碰撞模擬仿真技術(shù)的瓶頸，成為“木桶效應(yīng)”的那根短板。因此，獲取高精確度的、系統(tǒng)的高應(yīng)變速率拉伸曲線成為進(jìn)一步提高汽車碰撞模擬仿真置信度的關(guān)鍵。
鑒于以上幾點(diǎn)，我國汽車行要建立一種高應(yīng)變速率拉伸曲線的獲取機(jī)制與驗(yàn)證機(jī)制。
一、國內(nèi)汽車行業(yè)高應(yīng)變速率拉伸曲線調(diào)研結(jié)果
為調(diào)研國內(nèi)汽車行業(yè)高應(yīng)變速率拉伸曲線情況及行業(yè)現(xiàn)狀，我們對(duì)國內(nèi)整車企業(yè)發(fā)放40份調(diào)研問卷，收回有效調(diào)研問卷20份，自主品牌15份，合資品牌5份。調(diào)研結(jié)果分析如下：高應(yīng)變速率拉伸曲線的重要性得到整車企業(yè)一致認(rèn)可，其中89%的整車企業(yè)認(rèn)為非常重要，11%的整車企業(yè)認(rèn)為一般重要。整車企業(yè)高應(yīng)變速率拉伸曲線的來源主要有兩個(gè)主要來源，一方面來自于整車企業(yè)檢測(cè)，另一途徑為材料供應(yīng)商提供。
調(diào)研問卷中還對(duì)整車企業(yè)普遍反映的高應(yīng)變速率拉伸曲線在使用中存在的問題進(jìn)行了征集。整車企業(yè)一線工程師普遍反映的問題有數(shù)據(jù)一致性和對(duì)比性差，數(shù)據(jù)積累不足，測(cè)試費(fèi)用昂貴、周期長。借助于行業(yè)問卷調(diào)研和實(shí)地走訪，高應(yīng)變速率拉伸曲線檢測(cè)規(guī)范及數(shù)據(jù)處理規(guī)范缺失是導(dǎo)致數(shù)據(jù)對(duì)比性及一致性差的主要原因。鑒于此，針對(duì)規(guī)范和數(shù)據(jù)體系建立的必要性進(jìn)行了調(diào)研，44%的專業(yè)工程師認(rèn)為該工作非常迫切，還有50%的的工程師認(rèn)為該項(xiàng)工作有必要但是不迫切，基于以上分析，可以得出解決高應(yīng)變速率拉伸曲線問題已經(jīng)刻不容緩。
二、整車企業(yè)高應(yīng)變速率拉伸曲線存在的問題
針對(duì)汽車企業(yè)汽車碰撞模擬仿真部門所存在的問題，筆者通過走訪企業(yè)一線工程師，并結(jié)合調(diào)研結(jié)果，列出關(guān)于高應(yīng)變速率拉伸曲線現(xiàn)階段所存在的問題。
2.1 行業(yè)內(nèi)缺乏統(tǒng)一規(guī)范，數(shù)據(jù)對(duì)比性及一致性差
由于材料高應(yīng)變速率曲線的測(cè)試涉及到材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，以及高速下信號(hào)的采集與疊加，信號(hào)采集及分離難度大，材料高應(yīng)變速率下的測(cè)試多采用霍普金森桿的方法進(jìn)行測(cè)量[3]。而汽車碰撞仿真常用的中速率高應(yīng)變速率曲線使用該方法不能很好的測(cè)試，行業(yè)內(nèi)普遍采用液壓伺服的方法進(jìn)行測(cè)試。目前國內(nèi)整車企業(yè)采用的高應(yīng)變速率拉伸曲線測(cè)試方法眾多，并且同一測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的情況下，國內(nèi)檢測(cè)機(jī)構(gòu)在樣件、應(yīng)力、應(yīng)變采集的方法上差異也較大。如下表所示，高應(yīng)變速率拉伸曲線常使用規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)眾多，不統(tǒng)一測(cè)試方法導(dǎo)致數(shù)據(jù)的對(duì)比性及一致性差。
高應(yīng)變速率拉伸曲線的數(shù)據(jù)處理主要包含曲線的平滑、工程應(yīng)力應(yīng)變/真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變的轉(zhuǎn)換、曲線外延、試驗(yàn)驗(yàn)證及修正，國內(nèi)汽車行業(yè)高應(yīng)變速率曲線數(shù)據(jù)處理缺乏統(tǒng)一的規(guī)范，各個(gè)企業(yè)數(shù)據(jù)處理方法均不相同，甚至同一企業(yè)數(shù)據(jù)處理方法也不相同。這也是導(dǎo)致數(shù)據(jù)對(duì)比性和一致性差的很重要的原因。
2.2 車用材料性能數(shù)據(jù)積累不足，面向CAE的完善材料數(shù)據(jù)體系尚未建立
國內(nèi)汽車企業(yè)高應(yīng)變速率拉伸曲線數(shù)據(jù)來源主要分為三個(gè)方面，主要為自行檢測(cè)、CAE軟件自帶、材料企業(yè)提供。
(1)汽車企業(yè)自行檢測(cè)。由于整車涉及到的材料廣泛，檢測(cè)參數(shù)多、規(guī)格多，并且每個(gè)牌號(hào)曲線檢測(cè)費(fèi)用昂貴，所以整車企業(yè)自行檢測(cè)的數(shù)據(jù)量不多。
(2)材料企業(yè)提供。材料企業(yè)一般情況下多為材料工程師，在有限元分析及整車構(gòu)造方面欠缺，再加上高應(yīng)變速率拉伸曲線檢測(cè)涉及技術(shù)眾多，因此材料企業(yè)提供的曲線普遍存在數(shù)據(jù)質(zhì)量不高、原始曲線無法得到有效處理、曲線有效性難以得到保證等問題。
(3)CAE軟件自帶。部分CAE軟件會(huì)附帶一些常用材料牌號(hào)的典型曲線，但是該部分牌號(hào)多為國外牌號(hào)并且數(shù)量不多。
綜合以上三點(diǎn)，國內(nèi)大部分整車企業(yè)數(shù)據(jù)不系統(tǒng)且來源混亂，導(dǎo)致CAE模擬法仿真結(jié)果置信度難以得到保證。
2.3 共性車用材料高級(jí)曲線測(cè)試與處理增加行業(yè)整體檢測(cè)與時(shí)間成本
國內(nèi)整車企業(yè)使用的車身機(jī)構(gòu)材料相對(duì)比較集中，尤其是整車白車身，所使用的鋼鐵牌號(hào)相對(duì)比較集中，牌號(hào)重合度比較高。國內(nèi)整車企業(yè)眾多，并且都需要對(duì)高應(yīng)變速率拉伸曲線進(jìn)行檢測(cè)、處理、驗(yàn)證，重復(fù)性的檢測(cè)、處理與驗(yàn)證嚴(yán)重浪費(fèi)行業(yè)整體檢測(cè)與時(shí)間成本，所以必須要有一種機(jī)制來組織行業(yè)進(jìn)行高速拉伸曲線的檢測(cè)、處理、驗(yàn)證及數(shù)據(jù)體系構(gòu)建。
