考慮材料失效準(zhǔn)則的吸能裝置失效行為與碰撞特性

馮悅，肖守訥，朱濤，楊冰，陽光武，車全偉

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考慮材料失效準(zhǔn)則的吸能裝置失效行為與碰撞特性

馮悅1，肖守訥1，朱濤1，楊冰1，陽光武1，車全偉2

(1. 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都，610031；2. 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島，266111)

在對(duì)廣義增量應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)損傷模型(GISSMO)失效準(zhǔn)則5個(gè)基本特性分析的基礎(chǔ)上，以DP800為基礎(chǔ)材料，從應(yīng)變場分布、失效單元應(yīng)力三軸度和應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系3個(gè)方面驗(yàn)證GISSMO失效準(zhǔn)則在仿真過程中預(yù)測各向同性韌性材料失效的準(zhǔn)確性；在此基礎(chǔ)上，以擠壓式與壓潰式2種機(jī)車車輛常用吸能裝置為研究對(duì)象，對(duì)比不考慮失效、考慮V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則，考慮GISSMO失效準(zhǔn)則條件下，2種吸能裝置的失效行為與碰撞特性。研究結(jié)果表明：GISSMO失效準(zhǔn)則在描述各向同性韌性材料失效行為方面具有較大的優(yōu)勢(shì)；吸能裝置在軸向碰撞過程中的應(yīng)力三軸度處于不斷變化中，采用考慮應(yīng)力三軸度的GISSMO失效準(zhǔn)則使得仿真結(jié)果更準(zhǔn)確；針對(duì)壓潰式吸能裝置，在材料斷裂應(yīng)變較小時(shí)，采用GISSMO失效準(zhǔn)則的仿真計(jì)算中結(jié)構(gòu)壓潰過程會(huì)出現(xiàn)大面積撕裂等失效行為，降低結(jié)構(gòu)的碰撞力和吸能量，在此類吸能裝置設(shè)計(jì)的材料選擇中應(yīng)選擇斷裂應(yīng)變較大的材料。

機(jī)車車輛；耐撞性能；吸能裝置；失效準(zhǔn)則

隨著軌道交通裝備的快速發(fā)展，機(jī)車車輛碰撞事故頻發(fā)，機(jī)車車輛被動(dòng)安全性受到越來越多的關(guān)注。在對(duì)機(jī)車車輛的碰撞研究中，有限元仿真是主要的研究方式。隨著對(duì)有限元仿真精度要求的提高，人們?cè)谂鲎灿邢拊抡嬷虚_始更多關(guān)注材料的動(dòng)態(tài)失效行為。目前在機(jī)車車輛碰撞仿真中對(duì)于材料失效行為的研究較少[1?2]，而在船舶與汽車行業(yè)對(duì)材料失效行為的研究取得了一定的進(jìn)展。由于車輛及船舶結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，目前碰撞有限元仿真中通常采用殼單元進(jìn)行建模，并通過單元?jiǎng)h除法來模擬結(jié)構(gòu)的斷裂失效[3?4]。因此，確定合適的失效準(zhǔn)則以判定單元失效狀態(tài)是影響此類仿真分析準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。失效準(zhǔn)則從形式上可分為2種：一種是基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)從微觀空穴發(fā)展而提出的失效準(zhǔn)則，另一種是基于斷裂應(yīng)變的半經(jīng)驗(yàn)性的失效準(zhǔn)則。由于第1種失效準(zhǔn)則采用的是積分形式，其臨界損傷值難以測定，因此在通用的商業(yè)軟件中并沒有得到廣泛應(yīng)用；第2種失效準(zhǔn)則由于其表達(dá)形式簡單且失效參數(shù)可通過試驗(yàn)較為方便地測定，因而被廣泛地嵌入到通用商業(yè)軟件，應(yīng)用于碰撞仿真。目前應(yīng)用在碰撞仿真中的失效準(zhǔn)則主要有等效(V-M)應(yīng)變失效準(zhǔn)則、最大主應(yīng)變失效準(zhǔn)則、厚度方向應(yīng)變失效準(zhǔn)則、Johnson-Cook(J-C)失效準(zhǔn)則等。趙效東[4]通過簡單的梁受載彎曲破壞模擬對(duì)比了在V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則、最大主應(yīng)變失效準(zhǔn)則、厚度方向應(yīng)變失效準(zhǔn)則下的仿真結(jié)果，闡述了3種失效準(zhǔn)則在碰撞仿真中的缺陷，并提出厚度應(yīng)變與主應(yīng)變組合判斷結(jié)構(gòu)失效的新型失效準(zhǔn)則，通過與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比證明了厚度應(yīng)變與主應(yīng)變組合的新型失效準(zhǔn)則的可行性。劉敬喜等[5]基于3種典型舷側(cè)結(jié)構(gòu)縮尺模型的準(zhǔn)靜態(tài)耐撞性試驗(yàn)，采用V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則、主應(yīng)變?厚度應(yīng)變失效準(zhǔn)則以及RTCL(Rice-Tracey & Cockcroft-Latham)失效準(zhǔn)則對(duì)模型試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明：引入應(yīng)力三軸度的RTCL準(zhǔn)則能更準(zhǔn)確地模擬不同結(jié)構(gòu)的裂紋產(chǎn)生過程。張志強(qiáng)等[6]針對(duì)典型的船體雙層殼結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)研究極限塑性準(zhǔn)則(GL)，RTCL和J-C這3種常用失效準(zhǔn)則在碰撞破壞仿真分析中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)板殼結(jié)構(gòu)在碰撞載荷下，撞擊中心的應(yīng)力三軸度為0.3~0.6，考慮應(yīng)力三軸度的RTCL和J-C失效準(zhǔn)則更能真實(shí)反應(yīng)板的撞擊破壞。雖然RTCL和J-C失效準(zhǔn)則考慮了應(yīng)力狀態(tài)，但其有一定的局限性，即在整個(gè)應(yīng)力三軸度范圍內(nèi)斷裂應(yīng)變都為單調(diào)函數(shù)，而對(duì)于14MnNbq 等金屬材料，其斷裂應(yīng)變與應(yīng)力三軸度并非單調(diào)關(guān)系，故其使用范圍還有待進(jìn)一步研究[7]。針對(duì)上述失效準(zhǔn)則的局限性以及碰撞仿真中多采用的各向同性材料模型，NEUKAMM等[8?14]開發(fā)并完善了嵌于LS-DYNA中的廣義增量應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)損傷模型(GISSMO)。ANDRADE等[15]將該準(zhǔn)則應(yīng)用于描述雙相鋼材料的失效行為，其結(jié)果表明：GISSMO失效準(zhǔn)則能夠重現(xiàn)多個(gè)載荷路徑下各向同性韌性材料的斷裂行為?H?RLING[16?17]分別獲得了DOCOL 1200M和DOCOL 900M這2種材料的GISSMO失效準(zhǔn)則的參數(shù)，其結(jié)果表明GISSMO失效準(zhǔn)則能很好地預(yù)測上述2種材料的失效行為的能力。而隨著GISSMO失效準(zhǔn)則的推廣應(yīng)用，國內(nèi)研究者也開始將該準(zhǔn)則應(yīng)用于碰撞仿真。莊華曄等[18?19]最早在汽車領(lǐng)域的碰撞仿真中使用了該失效準(zhǔn)則，試驗(yàn)與仿真對(duì)比結(jié)果表明GISSMO失效準(zhǔn)則能夠很好地預(yù)測各向同性韌性材料失效行為。因此，本文作者對(duì)GISSMO失效準(zhǔn)則進(jìn)行深入研究，并與V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則進(jìn)行對(duì)比，研究其對(duì)列車常用薄壁管吸能裝置碰撞性能的影響。

1 GISSMO失效準(zhǔn)則

GISSMO失效準(zhǔn)則應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)的增量損傷準(zhǔn)則，具有如下5個(gè)基本特性。

1) 損傷演變。該特性主要通過損傷累積的方法解決非線性應(yīng)變路徑加載的問題。損傷計(jì)算公式如下：

式中：m為平均應(yīng)力；eq為等效應(yīng)力；1，2和3分別為第1，第2和第3主應(yīng)力。

損傷累積的概念在J-C失效準(zhǔn)則中也有體現(xiàn)，但其中的損傷累積指數(shù)=1，累積為線性累積，而實(shí)際變形過程中的累積為非線性的，即當(dāng)塑性應(yīng)變接近斷裂應(yīng)變(即接近1)時(shí)，同樣的塑性應(yīng)變?cè)隽恳鸬膿p傷增量會(huì)更大，即損傷會(huì)加速。顯然，GISSMO失效準(zhǔn)則中的非線性累積過程與實(shí)際結(jié)果更相符。

2) 臨界塑性應(yīng)變與應(yīng)力/損傷耦合。該特性主要用于描述損傷累積與應(yīng)力減弱之間的耦合關(guān)系，即在塑性應(yīng)變達(dá)到臨界應(yīng)變之后，流動(dòng)應(yīng)力會(huì)因?yàn)閾p傷累積而逐漸減小。決定材料是否發(fā)生應(yīng)力減弱的變量為穩(wěn)定性變量，其與損傷變量具有相近的累積形式。

依據(jù)式(3)非線性累積，當(dāng)增大至1時(shí)，應(yīng)力開始減弱，減弱后的應(yīng)力計(jì)算公式為

隨著塑性應(yīng)變?cè)龃?，穩(wěn)定性變量逐漸增大，當(dāng)增大為1時(shí)，應(yīng)力與損傷的耦合關(guān)系開始發(fā)生；隨著損傷變量進(jìn)一步增大，應(yīng)力開始減小，當(dāng)增大為1時(shí)，應(yīng)力減弱為0 MPa。GISSMO準(zhǔn)則的此種特性是其他失效準(zhǔn)則不具備的特性，使得計(jì)算得到的材料應(yīng)力與真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果更加相符。

3) 網(wǎng)格單元尺寸效應(yīng)修正。此種特性主要用于修正由應(yīng)變局部化引起的不同單元尺寸對(duì)斷裂預(yù)測的影響。準(zhǔn)則中提出了對(duì)斷裂應(yīng)變的修正函數(shù)，修正后損傷變量的計(jì)算公式如下：

4) 模擬殼單元的彎曲。殼單元在彎曲狀態(tài)時(shí)，一側(cè)承受拉伸載荷，另一側(cè)承受壓縮載荷。對(duì)于金屬材料而言，受拉伸載荷比壓縮載荷更容易失效。為了更準(zhǔn)確地模擬金屬材料的此種特性，準(zhǔn)則將對(duì)失效的判斷施加于單元厚度方向上的每個(gè)積分點(diǎn)上。例如，如果單元在厚度方向設(shè)置有5個(gè)積分點(diǎn)，那么在彎曲工況下，受拉側(cè)的積分點(diǎn)先于受壓側(cè)的積分點(diǎn)失效，直到單元所包含的5個(gè)積分點(diǎn)均達(dá)到失效極限，單元才會(huì)被刪除。相比于某些方法中只針對(duì)殼單元的中間層進(jìn)行失效評(píng)定，此種方法使得單元失效與實(shí)際更加 接近。

5) 數(shù)值實(shí)現(xiàn)。該準(zhǔn)則嵌入在LS-DYNA程序中，能通過“MAT_ADD_EROSION”調(diào)用。另外與J-C失效準(zhǔn)則不同，該準(zhǔn)則可以與任何材料彈塑性模型耦合使用，極大地提高了失效準(zhǔn)則應(yīng)用的靈活性。

2 材料參數(shù)及驗(yàn)證

DP800屬于應(yīng)變率敏感材料，具有明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，其在不同應(yīng)變率下的塑性應(yīng)變?流動(dòng)應(yīng)力曲線如圖1所示[20]。

應(yīng)變率/s?1：1—2 250；2—1 000；3—500；4—0.01；5—0.001。

對(duì)于DP800材料的GISSMO失效參數(shù)，ANDRADE等[15]通過不同應(yīng)力狀態(tài)下的準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)，得出了等效斷裂塑性應(yīng)變、臨界塑性應(yīng)變與應(yīng)力三軸度的關(guān)系，如圖2所示。其中失效參數(shù)=2，=2.5，且材料應(yīng)變率對(duì)失效參數(shù)的影響可忽略不計(jì)。ANDRADE等[15]采用已得到的失效參數(shù)對(duì)汽車的B柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了碰撞仿真，其結(jié)果表明采用了GISSMO失效準(zhǔn)則的仿真實(shí)驗(yàn)中預(yù)測的變形及整體彎曲形式與試驗(yàn)測試結(jié)果高度吻合，準(zhǔn)確地反映了結(jié)構(gòu)在碰撞中的失效行為，驗(yàn)證了該準(zhǔn)則及其參數(shù)對(duì)于DP800材料失效行為描述的準(zhǔn)確性。

1—斷裂塑性應(yīng)變；2—臨界塑性應(yīng)變。

圖2 斷裂塑性應(yīng)變及臨界塑性應(yīng)變與應(yīng)力三軸度的關(guān)系[15]

Fig. 2 Relationship between fracture plastic strain, critical plastic strain and stress triaxiality[15]

對(duì)于V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則，即等效塑性應(yīng)變失效準(zhǔn)則，因其具有簡便性而在碰撞仿真領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。等效塑性應(yīng)變的計(jì)算公式為

式中：eff為等效塑性應(yīng)變；1，2和3分別為第1，第2和第3主應(yīng)變。

該準(zhǔn)則沒有考慮不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)斷裂應(yīng)變的影響，即當(dāng)單元的等效塑性應(yīng)變達(dá)到等效斷裂塑性應(yīng)變時(shí)，單元即從計(jì)算中消失。根據(jù)其定義，本文將單軸拉伸的等效塑性斷裂應(yīng)變定義為V-M應(yīng)變失效的閾值，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知V-M等效斷裂塑性應(yīng)變?yōu)?。

由于需要采用有限元仿真對(duì)不同失效準(zhǔn)則的影響開展研究，為確保仿真方法的準(zhǔn)確性，分別依據(jù)材料的GISSMO失效準(zhǔn)則與V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則對(duì)簡單試樣進(jìn)行仿真，GISSMO準(zhǔn)則按文獻(xiàn)[15]進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，V-M斷裂應(yīng)變?cè)O(shè)置為1，單元類型設(shè)置為全積分線性殼單元，厚度方向設(shè)置5個(gè)積分點(diǎn)，單元邊長為0.5 mm。

將斷裂前一時(shí)刻試樣應(yīng)變場分布的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果[15]對(duì)比，如圖3所示。由圖3可以看出：在拉伸、缺口拉伸、0°剪切與45°剪切的應(yīng)力狀態(tài)下，通過GISSMO仿真得到的應(yīng)變場分布與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

(a) 試驗(yàn)結(jié)果，拉伸狀態(tài)[15]；(b) 試驗(yàn)結(jié)果，缺口拉伸狀態(tài)[15]；(c) 試驗(yàn)結(jié)果，0°剪切狀態(tài)[15]； (d) 試驗(yàn)結(jié)果，45°剪切狀態(tài)[15]；(e) GISSMO失效準(zhǔn)則，拉伸狀態(tài)；(f) GISSMO失效準(zhǔn)則，缺口拉伸狀態(tài)； (g) GISSMO失效準(zhǔn)則，0°剪切狀態(tài)；(h) GISSMO失效準(zhǔn)則，45°剪切狀態(tài)；(i) V-M失效準(zhǔn)則，拉伸狀態(tài)； (j) V-M失效準(zhǔn)則，缺口拉伸狀態(tài)；(k) V-M失效準(zhǔn)則，0°剪切狀態(tài)；(l) V-M失效準(zhǔn)則，45°剪切狀態(tài)

采用V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則的仿真結(jié)果，除單軸拉伸與0°剪切的應(yīng)力狀態(tài)外，其他應(yīng)力狀態(tài)下的仿真結(jié)果均與試驗(yàn)結(jié)果存在較大差異。對(duì)于缺口拉伸與45°剪切，在V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則下，斷裂前單元的塑性應(yīng)變明顯大于真實(shí)應(yīng)變，實(shí)際材料在較小應(yīng)變時(shí)就已經(jīng)失效。

V-M與GISSMO失效準(zhǔn)則下材料的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系如圖5所示。由圖5可知：即使對(duì)于單軸拉伸試驗(yàn)，由于GISSMO準(zhǔn)則考慮了損傷與應(yīng)力的耦合，材料的應(yīng)力?應(yīng)變曲線展現(xiàn)出頸縮之后的應(yīng)力減弱現(xiàn)象。

綜上所述，本文在材料多應(yīng)力狀態(tài)拉伸試驗(yàn)的有限元模型中對(duì)于GISSMO失效模型參數(shù)的設(shè)置是準(zhǔn)確的，可以在結(jié)構(gòu)碰撞仿真中采取同樣的設(shè)置方法。另外，由GISSMO失效準(zhǔn)則與V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知：GISSMO失效準(zhǔn)則在表現(xiàn)材料失效行為方面比V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則更準(zhǔn)確。

1—拉伸；2—缺口拉伸；3—0°剪切；4—45°剪切； 5—=0.340；6—=0.458； 7—=0.025；8—=0.213。

1—V-M；2—GISSMO。

3 吸能裝置碰撞仿真

針對(duì)列車常用的薄壁擠壓式吸能裝置與壓潰式吸能裝置，分別采用不考慮失效，考慮V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則，考慮GISSMO失效準(zhǔn)則開展碰撞仿真研究，探究不同類型吸能裝置仿真結(jié)果受失效準(zhǔn)則的影響，以期指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)材料性能的需求。

擠壓式吸能裝置為薄壁圓管，圓管半徑為75 mm；壓潰式吸能裝置為簡單薄壁管結(jié)構(gòu)，截面形狀分別為圓形、正方形與正六邊形，內(nèi)切圓的半徑為75 mm，軸向高度均為400 mm。4組吸能裝置的吸能管壁厚均為4 mm，單元邊長為2 mm，吸能裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 吸能裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 GISSMO準(zhǔn)則單元邊長修正曲線

3.1 碰撞過程中應(yīng)力三軸度的變化

對(duì)于擠壓式吸能裝置，在不考慮失效時(shí)，薄壁圓管擠壓完成后的應(yīng)力三軸度是均勻分布的。擠壓式吸能裝置應(yīng)力三軸度分布云圖如圖8所示。由圖8可知：在受到擠壓之后應(yīng)力三軸度均為0.667左右，大于單軸拉伸時(shí)的應(yīng)力三軸度0.333。

對(duì)于壓潰式吸能裝置，在不考慮失效時(shí)，不同截面薄壁管壓潰過程中的應(yīng)力三軸度分布如圖9所示。由圖9可知：在軸向壓潰過程中，不同位置處的應(yīng)力三軸度不同，且處于不斷變化的狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)力三軸度的計(jì)算公式，對(duì)于平面殼單元，應(yīng)力三軸度范圍為?0.667~+0.667。在壓潰過程中，褶皺形成的塑性鉸附近均會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力三軸度的峰值。而對(duì)于試驗(yàn)中的單軸拉伸試樣，其應(yīng)力三軸度基本在0.333附近波動(dòng)。材料在不同應(yīng)力三軸度下的斷裂應(yīng)變差異較大，如果僅以此種拉伸情況下的斷裂特性代表材料在全應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂特性并用于吸能裝置仿真必然使仿真結(jié)果出現(xiàn)較大差異。

綜上可知，對(duì)于上述2類吸能裝置，在受載過程中的應(yīng)力三軸度均不是保持0.333不變，以材料在單軸拉伸狀態(tài)下的斷裂應(yīng)變作為結(jié)構(gòu)變形中的恒定斷裂應(yīng)變是不合理的，因此，有必要對(duì)材料的斷裂應(yīng)變受應(yīng)力三軸度的影響進(jìn)行研究，同時(shí)在結(jié)構(gòu)碰撞仿真中應(yīng)優(yōu)先采用考慮應(yīng)力三軸度的失效準(zhǔn)則。

3.2 變形模式

擠壓式吸能裝置應(yīng)變分布云圖如圖10所示。由圖10可知：在整個(gè)變形過程中，其等效塑性應(yīng)變的最大值小于0.27，距離材料在對(duì)應(yīng)應(yīng)力三軸度下的斷裂應(yīng)變還有一定的差距，整個(gè)變形過程中均沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的斷裂，故不考慮失效與失效準(zhǔn)則的選取均未對(duì)結(jié)構(gòu)的變形模式產(chǎn)生影響。

對(duì)于壓潰式吸能裝置，由于變形過程中形成了塑性鉸，塑性應(yīng)變較大，不同失效準(zhǔn)則下的變形模式出現(xiàn)明顯差異。以截面為正方形的薄壁結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析，不同失效準(zhǔn)則下結(jié)構(gòu)變形模式如圖11所示。

對(duì)于未考慮失效的模型NONE，單元可以無限制變形，雖然結(jié)構(gòu)棱邊附近單元的塑性應(yīng)變已經(jīng)超過1.0，但仍然沒有出現(xiàn)單元失效現(xiàn)象。

對(duì)于V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則，在結(jié)構(gòu)4條棱邊附近的塑性鉸處的塑性應(yīng)變達(dá)到同期應(yīng)變場分布的最大值，由于斷裂應(yīng)變?cè)O(shè)置為1.0，當(dāng)局部單元塑性應(yīng)變達(dá)到斷裂應(yīng)變1.0時(shí)，單元消失，即裂紋產(chǎn)生。但由于設(shè)置的失效標(biāo)準(zhǔn)較高，斷裂僅出現(xiàn)在局部邊角，結(jié)構(gòu)的整體的塑性鉸形成的變形模式未發(fā)生明顯改變。從宏觀變形來看，采用V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則與未考慮失效的變形模式差異較小。

圖8 擠壓式吸能裝置應(yīng)力三軸度分布云圖

(a) 圓形管，15 ms；(b) 圓形管，30 ms；(c) 圓形管，45 ms；(d) 圓形管，60 ms； (e) 正方形管，15 ms；(f) 正方形管，30 ms；(g) 正方形管，45 ms；(h) 正方形管，60 ms； (i) 正六邊形管，15 ms；(j) 正六邊形管，30 ms；(k) 正六邊形管，45 ms；(l)正六邊形管，60 ms

圖10 擠壓式吸能裝置應(yīng)變分布云圖

對(duì)于GISSMO失效準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)發(fā)生了大面積的撕裂。結(jié)構(gòu)在變形過程中的應(yīng)力三軸度較大，而對(duì)于DP800材料，應(yīng)力三軸度超過0.333后再繼續(xù)增大，將導(dǎo)致斷裂應(yīng)變減少，顯然結(jié)構(gòu)變形過程中單元塑性應(yīng)變更容易超過失效標(biāo)準(zhǔn)，故斷裂會(huì)大面積發(fā)生。斷裂出現(xiàn)的初始位置如圖12(a)所示。雖然此時(shí)單元的最大塑性應(yīng)變?cè)?.52以內(nèi)，但前一步計(jì)算的應(yīng)力三軸度基本在0.45以上，應(yīng)力狀態(tài)分布如圖12(b)所示。根據(jù)失效準(zhǔn)則，最大塑性應(yīng)變已經(jīng)超過了準(zhǔn)則中對(duì)應(yīng)應(yīng)力三軸度下的斷裂應(yīng)變，故斷裂的初始位置是準(zhǔn)確的。伴隨著壓潰的持續(xù)進(jìn)行，初始萌生的裂縫會(huì)持續(xù)擴(kuò)展，在塑性鉸位置完全斷裂，并在棱邊出現(xiàn)持續(xù)的撕裂現(xiàn)象。

由于仿真中使用GISSMO失效準(zhǔn)則使得結(jié)構(gòu)失效比較嚴(yán)重，為確保仿真中失效行為是由材料性質(zhì)引起的而不是仿真的失誤，參考汽車用某種金屬板材的參數(shù)[18]，設(shè)置GISSMO準(zhǔn)則中材料的斷裂應(yīng)變，同時(shí)取消應(yīng)力和損傷的耦合，斷裂應(yīng)變與應(yīng)力三軸度關(guān)系如圖13所示。根據(jù)失效準(zhǔn)則的算法，此處應(yīng)力和損傷的耦合設(shè)置僅影響失效后的應(yīng)力是否減弱，不會(huì)影響失效行為的出現(xiàn)。新的斷裂應(yīng)變下結(jié)構(gòu)變形模式仿真結(jié)果如圖14所示。由圖14可知：在斷裂應(yīng)變?cè)黾又?，結(jié)構(gòu)的失效行為明顯減少，說明仿真結(jié)果的差異的確是由材料本身的性質(zhì)引起的。對(duì)于DP800這種斷裂應(yīng)變較小的材料在結(jié)構(gòu)壓潰過程中會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的撕裂行為。

(a) 不考慮失效；(b) V-M失效準(zhǔn)則；(c) GISSMO失效準(zhǔn)則

(a) 初始斷裂位置；(b) 應(yīng)力狀態(tài)分布

綜上所述，失效準(zhǔn)則的選取對(duì)變形較大的壓潰式吸能裝置碰撞仿真中的變形模式影響顯著。在材料具備與DP800相似的斷裂特性時(shí)，與未考慮失效的仿真及V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則下的仿真相比，GISSMO失效準(zhǔn)則下結(jié)構(gòu)發(fā)生了更大面積的斷裂行為，整體變形由塑性鉸形成變?yōu)樗毫?，差異顯著。

圖13 斷裂應(yīng)變與應(yīng)力三軸度關(guān)系[18]

圖14 新的斷裂應(yīng)變下結(jié)構(gòu)變形模式仿真結(jié)果

3.3 壓潰力與能量吸收

對(duì)于擠壓式吸能裝置，由于變形中的塑性應(yīng)變較小，未達(dá)到材料的臨界失穩(wěn)應(yīng)變，故未出現(xiàn)損傷與應(yīng)力耦合導(dǎo)致的單元應(yīng)力減弱。同時(shí)由于失效準(zhǔn)則的選取對(duì)其變形模式未產(chǎn)生明顯影響，故未考慮失效與失效準(zhǔn)則的選取沒有對(duì)結(jié)構(gòu)的碰撞力與能量吸收產(chǎn)生明顯影響。

對(duì)于壓潰式吸能裝置，不同失效準(zhǔn)則下結(jié)構(gòu)壓潰力和能量吸收曲線如圖15所示。從圖15(a)可以看出：在初始時(shí)刻，由于塑性應(yīng)變較小，斷裂尚未發(fā)生，3個(gè)模型產(chǎn)生的初始峰值力基本重合。隨著變形的繼續(xù)，變形模式的明顯差異引起壓潰力的不同。在V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則下，局部斷裂未影響整體變形模式，變形比較充分，壓潰力沒有發(fā)生明顯的變化。但對(duì)于GISSMO失效準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)的撕裂行為代替了原有的塑性鉸的形成。變形過程中的碰撞力來源變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)棱邊的持續(xù)撕裂。撕裂過程中的撕裂力比塑性鉸依次形成的壓潰力更加平穩(wěn)，但數(shù)值更小，故導(dǎo)致了壓潰力在峰值之后的急劇下降，并維持在較低水平。對(duì)于GISSMO失效準(zhǔn)則，由于考慮了損傷累積與應(yīng)力減弱的耦合，臨界失穩(wěn)應(yīng)變之后的應(yīng)力減弱也在一定程度上減弱了碰撞過程中的壓潰力。上述2個(gè)因素導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)能量吸收減少，最終的能量吸收水平僅為原始的20%。

(a) 壓潰力?位移曲線；(b) 能量吸收?位移曲線

綜上可知：不同失效準(zhǔn)則對(duì)變形較大的壓潰式吸能裝置碰撞仿真中的壓潰力與能量吸收等碰撞特性影響顯著。當(dāng)材料具備與DP800相似的斷裂特性時(shí)，與未考慮失效的仿真結(jié)果及V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則下的仿真結(jié)果相比，采用GISSMO失效準(zhǔn)則的仿真中結(jié)構(gòu)發(fā)生了更大面積的斷裂行為，整體變形由塑性鉸形成變?yōu)樗毫?，結(jié)構(gòu)的壓潰力與能量吸收比未考慮失效及V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則下的更小，即對(duì)于使用DP800材料的壓潰式吸能裝置，實(shí)際的壓潰試驗(yàn)得到的壓潰力與能量吸收將明顯小于不考慮失效及V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則下的仿真計(jì)算值。因此，在進(jìn)行吸能裝置設(shè)計(jì)中應(yīng)避免采用具有類似斷裂特性的材料，盡量選擇斷裂應(yīng)變較大的材料，以保證吸能裝置的吸能性能。

4 結(jié)論

1) 對(duì)于各向同性韌性材料的失效行為，GISSMO失效準(zhǔn)則考慮了應(yīng)力狀態(tài)、損傷累積、網(wǎng)格尺寸效應(yīng)以及殼單元彎曲等方面，比V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則考慮更全面，在模擬各向同性韌性材料失效行為方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于此類材料失效行為的研究，建議采用此種失效準(zhǔn)則。

2) 不同類型的吸能裝置在受載過程中，應(yīng)力三軸度處于不斷的變化之中，僅用單一恒定斷裂應(yīng)變判斷材料的失效是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，應(yīng)研究材料失效行為受應(yīng)力狀態(tài)的影響，并在結(jié)構(gòu)仿真中優(yōu)先采用考慮了應(yīng)力三軸度的失效準(zhǔn)則。

3) 對(duì)于擠壓式吸能裝置的碰撞仿真，由于變形過程中塑性應(yīng)變較小，變形模式、壓潰力及吸能量基本不受失效準(zhǔn)則影響；對(duì)于變形較大的壓潰式吸能裝置的碰撞仿真，基于DP800的材料失效特性，與未考慮失效及V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則下的仿真結(jié)果相比，使用GISSMO失效準(zhǔn)則的仿真中結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)塑性鉸的斷裂與沿結(jié)構(gòu)的棱邊的撕裂等失效行為，結(jié)構(gòu)的壓潰力與能量吸收減少，該仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果更接近，不同失效準(zhǔn)則對(duì)該種吸能裝置的碰撞仿真結(jié)果影響顯著，結(jié)構(gòu)碰撞仿真中應(yīng)該優(yōu)先采用GISSMO失效準(zhǔn)則。

4) 對(duì)于使用DP800材料的壓潰式吸能裝置，由于該材料斷裂應(yīng)變較小，實(shí)際的壓潰試驗(yàn)得到的壓潰力與能量吸收將明顯小于不考慮失效及V-M應(yīng)變失效準(zhǔn)則下的仿真結(jié)果，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的材料選擇中，應(yīng)該盡量選用斷裂應(yīng)變較大的材料以保證吸能裝置的吸能特性。

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Failure behavior and collision characteristics of energy-absorbing structures considering material failure criteria

FENG Yue1, XIAO Shoune1, ZHU Tao1, YANG Bing1, YANG Guangwu1, CHE Quanwei2

(1. State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. CRRC Qingdao Sifang Co. Ltd., Qingdao 266111, China)

By analyzing the five basic characteristics of the failure criterion of general incremental stress state dependent damage model (GISSMO), DP800 was selected as the basic material, and the accuracy of GISSMO for predicting isotropic ductile material failure behavior during simulation application was verified through three aspects, including strain distribution, the stress triaxiality of failure element and the relationship between stress and strain. Furthermore, the failure behavior and collision characteristics of squeezing and crushing energy-absorbing structures commonly used in the rolling stocks were simulated and compared in conditions of no failure criteria, V-M strain failure criterion and GISSMO failure criterion. The results show that the GISSMO failure criterion has great advantages in describing the failure behavior of isotropic ductile materials. The stress triaxiality of the energy-absorbing structure is constantly changing in the process of axial collision, and the simulation with GISSMO failure criterion, which takes the stress triaxiality into consideration, produces more accurate results. For crushing energy-absorbing structure, when the fracture strain of the material is small, adopting GISSMO failure criterion will cause a large-area failure behavior of the structure and reduction of the collision force and energy absorption. In the design of energy-absorbing structure, a material with a larger fracture strain should be selected.

rolling stocks; crashworthiness; energy-absorbing structure; failure criterion

10.11817/j.issn.1672?7207.2019.02.031

O313.4；U270.2

A

1672?7207(2019)02?0487?10

2018?03?12；

2018?05?11

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1534209)；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB1200404)；牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題(2017TPL_Z1, 2015TPL_T013)(Project(U1534209) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2016YFB1200404) supported by the National Key Research and Development Program of China; Projects(2017TPL_Z1, 2015TPL_T013) supported by Independent Research Program of State Key Laboratory of Traction Power)

朱濤，博士，副研究員，從事機(jī)車車輛設(shè)計(jì)與理論研究；E-mail：zhutao034@swjtu.cn

(編輯 伍錦花)