摘 要：根據(jù)汽車碰撞過(guò)程的動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)和大變形特點(diǎn)，針對(duì)汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼板材，從斷裂失效機(jī)理、影響材料斷裂行為的關(guān)鍵因素、斷裂預(yù)測(cè)模型、基于復(fù)雜承載工況下材料的斷裂預(yù)測(cè)模型建立方法等多方面進(jìn)行論述?；趹?yīng)力三軸度、洛德角、應(yīng)變速率及極限斷裂應(yīng)變于一體的斷裂準(zhǔn)則模型，相比于傳統(tǒng)方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車安全件碰撞性能的高精度預(yù)測(cè)，具有行業(yè)推廣應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：先進(jìn)高強(qiáng)汽車用鋼；斷裂模型；應(yīng)力三軸度；洛德角
隨著汽車節(jié)能排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，汽車輕量化已成為產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)共同面對(duì)的一門必修課。研究表明，汽車整車質(zhì)量每減輕10%，可提高6%～8%的燃油效率；整車質(zhì)量每減少100 kg，可降低百公里油耗0.3～0.6 L［1-4］。在實(shí)施輕量化的過(guò)程中，車輛材料用量及密度必然有一定幅度的降低，雖然有利于提升經(jīng)濟(jì)性，客觀上卻不利于保證車身安全性。因此，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)更加要求車身輕量化與其安全性開(kāi)發(fā)之間的完美兼容。在輕量化設(shè)計(jì)和實(shí)施的過(guò)程中，應(yīng)將滿足各種碰撞測(cè)試法規(guī)的技術(shù)開(kāi)發(fā)納入其中，成為汽車輕量化開(kāi)發(fā)工作不可分割的一部分。車身的安全性主要由各種安全件給予保證，其安全性可用剛度、強(qiáng)度兩個(gè)參量因子予以表征?；谳p量化需求減薄后的車身鈑金件的剛度一般會(huì)不可避免地降低，可通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化加以彌補(bǔ)，而零部件強(qiáng)度則是關(guān)聯(lián)碰撞過(guò)程中的抗侵入能力，除依舊和結(jié)構(gòu)相關(guān)外，更與零部件用材的強(qiáng)度相關(guān)。因此，當(dāng)前以馬氏體鋼為代表的各種汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼已成為所有車型安全件的標(biāo)配材料，用于車身B 柱、防撞梁等典型安全結(jié)構(gòu)件，以減少零部件質(zhì)量，并提升零部件的碰撞能力。此外，車身安全件的防護(hù)效果也可分為兩個(gè)階段，在碰撞導(dǎo)致零部件變形卻依然處于彈性變形階段時(shí)，可通過(guò)鋼材的高屈服強(qiáng)度保證零部件不發(fā)生塑性變形，從而抑制碰撞侵入效應(yīng)，但是，一旦碰撞沖擊力過(guò)大而進(jìn)入塑性變形階段時(shí)，則要求零部件延遲其變形開(kāi)裂現(xiàn)象的出現(xiàn)，這主要與零部件用鋼的韌性相關(guān)。而當(dāng)前國(guó)內(nèi)外汽車安全件用鋼強(qiáng)度級(jí)別不斷提升，這種強(qiáng)度上的提升一般涉及鋼材基體中如馬氏體脆硬組織相含量的提升，以及這些相組織的脆硬性能的加強(qiáng)。因此，強(qiáng)度的提升其實(shí)往往伴隨著鋼材韌性的降低，從而導(dǎo)致零部件抗侵入能力的提升，又加劇了零部件碰撞開(kāi)裂的趨向性，所以鋼材基體的強(qiáng)韌性將顯著影響其安全件的碰撞性能水平，有必要深入研究各類汽車用超高強(qiáng)鋼在動(dòng)態(tài)碰撞中從彈性變形直至開(kāi)裂全過(guò)程中所體現(xiàn)出來(lái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及其斷裂特征。
當(dāng)前，研究材料動(dòng)態(tài)斷裂性能的最終目標(biāo)，是為汽車行業(yè)提供高精度的斷裂預(yù)測(cè)本構(gòu)模型，應(yīng)用于各類車型的安全開(kāi)發(fā)及CAE 仿真。各國(guó)研究者已經(jīng)提出了很多不同的斷裂預(yù)測(cè)模型，并已將它們成功地用于板材變形開(kāi)裂預(yù)測(cè)。根據(jù)材料損傷演變行為和材料塑性性能之間的相互作用關(guān)系的不同，這些斷裂模型又可劃分為耦合型模型（如GTN、CDM 等）和非耦合模型（如MMC、DIEM、Lou-Huh、Gissmo 等）兩類，其中后者涉及的材料參數(shù)較少，參數(shù)識(shí)別過(guò)程簡(jiǎn)單，更加適用于工業(yè)應(yīng)用［5-6］。當(dāng)前用于汽車行業(yè)發(fā)展急需的先進(jìn)安全仿真開(kāi)發(fā)技術(shù)卻面臨幾大共性技術(shù)問(wèn)題，一是模型應(yīng)貼合碰撞過(guò)程中零部件的實(shí)時(shí)形變狀態(tài)變化；二是應(yīng)采取合理的測(cè)試方法及算法，建立貼合沖擊工況的基于動(dòng)態(tài)的斷裂模型，即將動(dòng)態(tài)參量以合理的方式引入到傳統(tǒng)的靜態(tài)模型中去；三是零部件畢竟不同于材料，為了真正意義上地貼合零部件的工況，應(yīng)在建立材級(jí)斷裂模型的基礎(chǔ)上考慮材料的各向異性及零部件的制造工藝路徑。此外，針對(duì)車身鈑金件，其在生產(chǎn)或碰撞過(guò)程中大多處于平面應(yīng)力狀態(tài)，為了更加簡(jiǎn)單方便地表征其斷裂行為，有必要按照現(xiàn)有模型體系，構(gòu)建專屬于平面應(yīng)力狀態(tài)的簡(jiǎn)單的、標(biāo)定方便的、具有推廣價(jià)值的斷裂模型。
多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外諸多研究者對(duì)材料的斷裂模型進(jìn)行了一定研究，但是對(duì)于金屬材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及斷裂行為的總結(jié)尚顯不足，尤其是在金屬材料力學(xué)試驗(yàn)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、斷裂模型建立及工程應(yīng)用等方面，缺乏全面、系統(tǒng)的總結(jié)。本文根據(jù)汽車碰撞過(guò)程的動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)和大變形特點(diǎn)，針對(duì)汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼板材，從斷裂失效機(jī)理、影響材料斷裂性能的關(guān)鍵因素、斷裂性能預(yù)測(cè)模型、復(fù)雜應(yīng)力斷裂準(zhǔn)則模型的建立方法等方面進(jìn)行詳細(xì)論述，并對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望。
1、 先進(jìn)高強(qiáng)鋼的斷裂行為
零部件碰撞安全防護(hù)功能特性的優(yōu)劣很大程度上取決于其所用材料的力學(xué)性能優(yōu)劣。對(duì)于碰撞過(guò)程中主要的承載對(duì)象車身而言，從安全設(shè)計(jì)角度出發(fā)，基本理念在于講究高強(qiáng)度和高韌性完美的契合，前者在于降低碰撞侵入量，后者在于提升碰撞吸能量，對(duì)應(yīng)車身的不同部位，安全設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)不同。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外汽車安全設(shè)計(jì)用鋼的主流是第1 代、第3 代先進(jìn)高強(qiáng)鋼材。將多種不同力學(xué)行為特性的鋼種集成應(yīng)用于車身上，滿足碰撞過(guò)程中整車的綜合防護(hù)性能需求已成為車身安全設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的用材主流技術(shù)路線。因此，從提升安全設(shè)計(jì)精度目標(biāo)出發(fā)，掌握典型先進(jìn)高強(qiáng)鋼材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和斷裂性能，并積累足夠規(guī)模的基礎(chǔ)材料數(shù)據(jù)是很有必要的。此外，在進(jìn)行車身安全碰撞性能模擬時(shí)，也應(yīng)針對(duì)不同鋼種特性，建立相匹配的材料級(jí)斷裂準(zhǔn)則模型。
當(dāng)前，具有代表性的汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼類別包括馬氏體類鋼（PHS、MS）、DP 鋼、TRIP 鋼、QP鋼、CP 鋼、TWIP 鋼、中錳鋼、貝氏體鋼等。這些種類的鋼各自的組織強(qiáng)化機(jī)理均不同，所以在實(shí)際形變過(guò)程中，基于不同力學(xué)性能組成相本身的強(qiáng)塑性、強(qiáng)韌性的差異性，以及不同相之間的應(yīng)力應(yīng)變配分效應(yīng)，導(dǎo)致宏觀形變乃至斷裂行為的差異性。一般情況下，為了保證馬氏體類鋼的韌性，通常使碳元素含量較低（≤0.3%）以促進(jìn)淬火后形成板條馬氏體，其是以位錯(cuò)在外部載荷作用下沿滑移面的運(yùn)動(dòng)為主要的變形機(jī)制。位錯(cuò)滑移受阻產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)將產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)而擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展過(guò)程中其尖端附近區(qū)域受應(yīng)力場(chǎng)影響，會(huì)誘導(dǎo)這些區(qū)域內(nèi)的夾雜等其他基體缺陷間發(fā)生交互，從而形成一系列的微裂紋或空洞等缺陷，進(jìn)一步增大了應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到某一程度后，已形成的微觀裂紋和這些新的缺陷間就容易連成一片，致使裂紋擴(kuò)展加速并改變裂紋狀態(tài)，從而引發(fā)裂紋沿板條束界發(fā)生轉(zhuǎn)折。雙相鋼具有較低的屈強(qiáng)比，又具有較高初始加工硬化率，所以在雙相鋼的變形斷裂過(guò)程中一般沒(méi)有明顯的斷裂破壞征兆，這也是雙相鋼所獨(dú)有的斷裂形式［7］。斷裂裂紋在雙相鋼中的沿著馬氏體-鐵素體晶界擴(kuò)展或穿過(guò)馬氏體，馬氏體“島”的分布狀態(tài)、尺寸大小、體積分?jǐn)?shù)等均影響其裂紋敏感性，并直接決定雙相鋼的斷裂性能。TRIP 鋼強(qiáng)韌化核心在于殘余奧氏體調(diào)控，研究表明［8-10］，鋼中殘余奧氏體的相變順序表現(xiàn)出顯著的選擇性，而其斷裂機(jī)制主要為微孔聚集型斷裂。TRIP 鋼在拉伸過(guò)程中，殘余奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程將引發(fā)應(yīng)力松弛，導(dǎo)致斷裂被延遲，體現(xiàn)出較強(qiáng)的斷裂抗性。殘余奧氏體的含量、分布及其穩(wěn)定性決定了TRIP 鋼的斷裂抗性優(yōu)劣，分布在鐵素體內(nèi)部的小尺寸殘余奧氏體比較穩(wěn)定［11］，有利于提升TRIP 鋼斷裂性能。QP 鋼與TRIP 鋼類似，同樣為殘余奧氏體強(qiáng)化鋼種，但在承載變形過(guò)程中n 值隨應(yīng)變的增加而變化的趨勢(shì)與DP 鋼不同，其將隨應(yīng)變的增加而緩升并一直保持到均勻形變結(jié)束，從而延遲斷裂過(guò)程的發(fā)生。TWIP 鋼基于其變形機(jī)械孿晶的形成導(dǎo)致材料出現(xiàn)較大的無(wú)縮頸延伸，體現(xiàn)出優(yōu)異的斷裂抗性。中錳鋼的形變應(yīng)力應(yīng)變變化過(guò)程仍然受亞穩(wěn)奧氏體控制，隨不同的退火工藝而有所區(qū)別［12］。上述幾類受奧氏體控制的鋼種，從使用角度出發(fā)，其材料本身的斷裂特性并不重要，關(guān)鍵在于成形及形變后的材料斷裂特性變化。在實(shí)際零部件沖壓過(guò)程中，幾類鋼種基于“TRIP”效應(yīng)均會(huì)出現(xiàn)高位錯(cuò)密度的高碳馬氏體組織，其對(duì)零部件的斷裂性能將產(chǎn)生顯著影響。綜上所述，不同的鋼材，基于不同的組織強(qiáng)化機(jī)理，體現(xiàn)出不同的形變及斷裂行為，具體體現(xiàn)為從形變直至斷裂全過(guò)程中的流變曲線形貌特征、脆性/韌性階段性區(qū)分特性、斷裂失效模式、動(dòng)態(tài)應(yīng)變速率敏感性等方面。因此，很難用一、兩種模型實(shí)現(xiàn)較高精度地詮釋所有鋼種的斷裂性能，多年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者在這方面已開(kāi)展大量研究，還面向不同的特定鋼種開(kāi)展特定斷裂模型的研究，提出了大量的模型［13-17］。但是，從工程應(yīng)用角度來(lái)看，必須考慮針對(duì)不同鋼材建立模型本身的工作量和難度高低等因素，所以建立統(tǒng)一模型的工作也一直在開(kāi)展中，不過(guò)統(tǒng)一模型如何規(guī)避鋼種斷裂行為的差異性干擾，又是個(gè)難點(diǎn)。
2、 應(yīng)力狀態(tài)對(duì)斷裂的影響
當(dāng)前，CAD/CAE 技術(shù)早已應(yīng)用于汽車安全開(kāi)發(fā)過(guò)程中，利用仿真分析法，不僅能大大降低汽車安全件乃至車身總成實(shí)體安全性能檢測(cè)的成本，還能顯著縮短開(kāi)發(fā)周期，但仿真精度問(wèn)題一直是行業(yè)共性的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。尤其是，多年來(lái)大多國(guó)內(nèi)車企一直沿用靜、動(dòng)態(tài)單軸拉伸法來(lái)獲取車身鋼板材料的力學(xué)、斷裂性能數(shù)據(jù)，以構(gòu)建用于車身安全件碰撞性能模擬的本構(gòu)模型，但精度一直不太理想。
在碰撞過(guò)程中，汽車安全構(gòu)件基體處于一種動(dòng)態(tài)變形狀態(tài)，通常不同位置具有不同的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，除了單一的拉、剪狀態(tài)，更多的是處于更加復(fù)雜的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)。采用傳統(tǒng)的單軸拉伸法，不足以表征零部件在碰撞過(guò)程中不同位置的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)［18］，而應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料的斷裂失效行為會(huì)產(chǎn)生顯著影響。此外，在實(shí)際形變過(guò)程中材料不同部位的應(yīng)力狀態(tài)還將隨時(shí)間不斷變化，所以斷裂其實(shí)是在特定的某一時(shí)刻，材料或產(chǎn)品局部應(yīng)變值達(dá)到了其對(duì)應(yīng)此刻應(yīng)力狀態(tài)下的極限應(yīng)變值所產(chǎn)生的必然結(jié)果。因此，評(píng)價(jià)材料或產(chǎn)品的斷裂，應(yīng)力狀態(tài)是個(gè)必須考慮的限定條件。
目前，絕大多數(shù)汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼均屬于延性金屬范疇。國(guó)外較早、較系統(tǒng)地研究了應(yīng)力狀態(tài)對(duì)不同材料斷裂性能的影響規(guī)律和機(jī)理。例如，文獻(xiàn)［19］～［26］分別從理論、試驗(yàn)、模擬等方面進(jìn)行了研究，并取得了相應(yīng)有價(jià)值的結(jié)論，驗(yàn)證了應(yīng)力狀態(tài)會(huì)顯著影響鋼材的斷裂性能。BONORA等［27-28］不僅對(duì)某些低合金鋼板進(jìn)行了缺口試件設(shè)計(jì)，還對(duì)其在不同應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂性能進(jìn)行了測(cè)試，證實(shí)了鋼板的斷裂模式受其應(yīng)力狀態(tài)的影響非常顯著。DRIEMEIEIR 等［29-30］采用BONORA 等人的方法，對(duì)鋁、鈦合金做了相同研究，得出了相同的研究結(jié)果。BAO Yingbin等［31-34］揭示了不同應(yīng)力狀態(tài)下材料斷裂模式轉(zhuǎn)變的微觀損傷演化機(jī)制。王國(guó)珍等［35］針對(duì)16Mn（牌號(hào)為Q345B）這種低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，研究了不同缺口尺寸試樣斷裂行為的應(yīng)變速率敏感性，結(jié)果表明，在不同應(yīng)變速率范圍內(nèi)，3 種不同結(jié)構(gòu)尺寸的樣品的斷裂模式存在差異。由上述討論可知，樣品結(jié)構(gòu)差異性將導(dǎo)致應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變速率敏感性的差異性，對(duì)實(shí)際汽車零部件的安全性設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)依據(jù)。為提升汽車安全件碰撞性能模擬的精度，貼合實(shí)際工況，建立考慮應(yīng)力狀態(tài)表征參量的（動(dòng)態(tài)）模型，已成為當(dāng)前及未來(lái)發(fā)展的主流方向。
當(dāng)前，行業(yè)主流的應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)主要有兩個(gè)，即應(yīng)力三軸度和洛德角。早在20 世紀(jì)60 年代，國(guó)外研究就指出材料在外部載荷條件下發(fā)生斷裂的微觀失效過(guò)程與應(yīng)力狀態(tài)之間的密切聯(lián)系。隨后通過(guò)進(jìn)一步的研究，國(guó)外率先提出了所謂的“應(yīng)力三軸度（平均應(yīng)力與等效應(yīng)力之比）”這一參量，用于表征不同材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂特性，推動(dòng)了斷裂這一領(lǐng)域的發(fā)展。國(guó)內(nèi)，鄭長(zhǎng)卿等［36］最早致力于應(yīng)力三軸度方面的研究。李余德［37］進(jìn)一步對(duì)其概念和意義進(jìn)行了詮釋。隨后國(guó)內(nèi)開(kāi)始針對(duì)應(yīng)力三維度與材料斷裂之間的關(guān)系開(kāi)展研究，并提出一些斷裂準(zhǔn)則［38-39］。洛德角這一概念于1926 年由Lode 提出，王仲仁［40］指出了洛德角Mohr 圓所代表的幾何意義，其物理意義在于明確了材料的應(yīng)變狀態(tài)。但是，目前普遍認(rèn)為在考慮應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)時(shí)，洛德角的物理意義不及應(yīng)力三軸度。BAO Yingbin 等［41-42］的研究表明，金屬材料斷裂的同時(shí)受第2、第3 應(yīng)力張量不變量的影響，材料的受力狀態(tài)可以通過(guò)應(yīng)力三軸度和洛德角參數(shù)進(jìn)行表征，在平面應(yīng)力狀態(tài)下洛德角與應(yīng)力三軸度存在定量關(guān)系，采用應(yīng)力三軸度即可以表征板材的受力狀態(tài)。
當(dāng)前，許多研究者均對(duì)不同材料的斷裂應(yīng)變與應(yīng)力三軸度、洛德角之間的關(guān)系進(jìn)行了大量研究［17，43-47］。BAO Yingbin 等［31-34］研究建立了基于應(yīng)力三軸度、洛德角體系變化的鋁合金斷裂準(zhǔn)則模型，并指出材料的斷裂微觀過(guò)程機(jī)理將隨應(yīng)力三軸度的強(qiáng)弱發(fā)生顯著變化，驗(yàn)證了將應(yīng)力三軸度等應(yīng)力狀態(tài)表征參量納入仿真材料本構(gòu)模型體系中的合理性。鄭長(zhǎng)卿［48］最早對(duì)50D 和40C 等鋼材進(jìn)行了研究，嘗試在拉伸、彎曲形變過(guò)程中和斷裂模型構(gòu)建過(guò)程中引入了應(yīng)力三軸度，較好地預(yù)測(cè)了鋼材的斷裂部位及對(duì)應(yīng)的極限載荷，并較為系統(tǒng)地建立了斷裂微孔演化與應(yīng)力三軸度間的關(guān)系。湯安民等［49］對(duì)鑄鐵、LC4-M 和LC12鋁合金、14CrNiMov和40CrNiMo 合金鋼等不同材料及其零部件進(jìn)行斷裂測(cè)評(píng)研究，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)論。陳剛等［50］通過(guò)對(duì)45 鋼的研究，進(jìn)一步指出除了應(yīng)力三軸度，其余諸如應(yīng)變速率、溫度等因素也會(huì)顯著影響材料的斷裂特性。朱浩等［51-53］分別針對(duì)不同牌號(hào)鋁材，從不同角度研究了其失效應(yīng)變與應(yīng)力三軸度之間的關(guān)系。賈東［54］通過(guò)模擬手段結(jié)合試驗(yàn)，較為系統(tǒng)地研究了應(yīng)力三軸度與MB2 鎂合金斷裂特性之間的關(guān)系，并建立了較為全面、精準(zhǔn)的宏觀斷裂失效預(yù)測(cè)模型，模型預(yù)測(cè)精度較高。綜上所述，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在材料方面已開(kāi)展了大量應(yīng)力三軸度與材料斷裂性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系和影響機(jī)理方面的基礎(chǔ)性研究工作，取得了大量有價(jià)值的科研成果，但是將其應(yīng)用于汽車工程等領(lǐng)域尚處于起步階段。
先進(jìn)高強(qiáng)鋼具有安全性和輕量化的優(yōu)點(diǎn)，是最具工藝性和性價(jià)比的汽車用材。未來(lái)，隨著先進(jìn)高強(qiáng)鋼材料的主流強(qiáng)度逐漸進(jìn)入GPa 級(jí)，汽車設(shè)計(jì)和制造行業(yè)將愈發(fā)關(guān)注其在不同服役工況下的斷裂失效行為和機(jī)理。目前，各種工程材料的斷裂性能在不同應(yīng)力狀態(tài)下存在顯著差異已成為行業(yè)共識(shí)。建立基于應(yīng)力三軸度的斷裂準(zhǔn)則，研究不同鋼種應(yīng)力三軸度與其斷裂應(yīng)變的關(guān)系，是深入分析各種先進(jìn)高強(qiáng)鋼材料塑性變形與斷裂失效行為的基礎(chǔ)。一個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題在于應(yīng)力球使建立的基于應(yīng)力三軸度和洛德角的斷裂準(zhǔn)則模型涵蓋材料的典型承載應(yīng)力狀態(tài)。然而，材料斷裂研究樣品的結(jié)構(gòu)、尺寸等幾何因素會(huì)顯著影響斷裂試驗(yàn)和模擬的精度，進(jìn)而影響建立斷裂模型的有效性。因此，深入研究斷裂試樣結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，探尋等效斷裂應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)的變化規(guī)律，是分析各類汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼碰撞斷裂失效特性必不可缺的環(huán)節(jié)。通過(guò)測(cè)試及仿真，獲取不同結(jié)構(gòu)（能準(zhǔn)確表征典型的應(yīng)力狀態(tài)）的先進(jìn)高強(qiáng)鋼（板材）的力學(xué)和斷裂性能，進(jìn)而建立斷裂準(zhǔn)則，具有重大的工程應(yīng)用意義。在實(shí)際工程應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)較高的零部件碰撞安全性能仿真精度，三方面的工作至關(guān)重要：一是通過(guò)試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值仿真法，研究樣品的“結(jié)構(gòu)-尺寸效應(yīng)”，從而設(shè)計(jì)出一系列具有合理結(jié)構(gòu)的樣品，為斷裂準(zhǔn)則的建立奠定基礎(chǔ)；二是針對(duì)斷裂性能的測(cè)試數(shù)據(jù)，選取合理的數(shù)據(jù)擬合模型，以提升仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果之間的契合度；三是面向高精度斷裂準(zhǔn)則模型建立需求，選取合理的損傷機(jī)制模型，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的表征碰撞變形過(guò)程中零部件不同部位基體的損傷積累過(guò)程路徑。此外，零部件出現(xiàn)斷裂本質(zhì)上是局部基體實(shí)際應(yīng)變達(dá)到極限應(yīng)變值，早年的研究主要以建立應(yīng)力三軸度與極限應(yīng)變之間的關(guān)系為主，建立“二維”層面的斷裂準(zhǔn)則模型，近年來(lái)行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)是引入洛德角參量，將“二維”斷裂準(zhǔn)則拓展至“三維”層面，實(shí)現(xiàn)對(duì)具體零部件在具體承載環(huán)境中的斷裂信息更加全面的表征，同時(shí)也避免了形變過(guò)程中因材料應(yīng)力三軸度的實(shí)時(shí)變化而帶來(lái)的干擾。董俊宏等［55］綜合研究了應(yīng)力狀態(tài)對(duì)Q690鋼延性斷裂行為的影響，設(shè)計(jì)了3 種不同開(kāi)口尺寸的單軸拉伸平板試件和純剪試件，采用測(cè)試結(jié)合數(shù)值模擬的方法，探索性建立了結(jié)合等效極限斷裂應(yīng)變、應(yīng)力三軸度和洛德角參數(shù)于一體的斷裂準(zhǔn)則模型。上述關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題的研究不僅涉及理論層面的突破，同時(shí)也得益于工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累。目前中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)汽研）、清華大學(xué)蘇州汽車研究院、上海迅仿工程技術(shù)有限公司等極少數(shù)機(jī)構(gòu)，在汽車輕量化及安全開(kāi)發(fā)領(lǐng)域初步建立了較為完整的技術(shù)流程體系，并應(yīng)用于汽車行業(yè)，取得了良好的應(yīng)用效果。
3、 應(yīng)變速率對(duì)斷裂的影響
據(jù)統(tǒng)計(jì)，在汽車碰撞過(guò)程中，碰撞部位基體處于高速動(dòng)態(tài)形變狀態(tài)，不同位置的關(guān)鍵零部件，其應(yīng)變速率介于0～500 s之間［18］。在動(dòng)態(tài)條件下，幾乎所有金屬材料均具有應(yīng)變速率敏感性，且會(huì)體現(xiàn)出與靜態(tài)不同的力學(xué)行為、性能指標(biāo)、應(yīng)力應(yīng)變對(duì)應(yīng)關(guān)系及失效模式。從這個(gè)角度出發(fā)，建立基于動(dòng)態(tài)應(yīng)力狀態(tài)下的汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼板材斷裂準(zhǔn)則模型更有意義。
動(dòng)態(tài)條件下評(píng)估金屬材料力學(xué)性能的關(guān)鍵參量在于應(yīng)變速率敏感性，其將直接影響碰撞過(guò)程中材料的性能變化，進(jìn)而影響零部件的碰撞侵入量、碰撞加速度變化、峰值載荷、碰撞吸能值等一系列安全性指標(biāo)。不同汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能存在差異，一般而言，強(qiáng)度級(jí)越高則應(yīng)變速率敏感性就越低。例如，DP鋼就具有強(qiáng)烈的應(yīng)變速率敏感性，焦書(shū)軍等［56-59］的研究全方位展示了DP鋼、TRIP鋼等相比于其他一般汽車用鋼具有更加優(yōu)異的沖擊吸能優(yōu)勢(shì)，分析了動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)程中材料微觀層面的形變和相變等組織演變對(duì)宏觀沖擊吸能能力的影響，初步建立了鋼種組織參量與其動(dòng)態(tài)安全性能參量間的定量關(guān)系模型。周元鑫等［60］對(duì)不同馬氏體含量雙相鋼進(jìn)行了高速拉伸試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了該鋼種的宏觀強(qiáng)度與基體馬氏體體積分?jǐn)?shù)、應(yīng)變速率三方面參量之間的定性及定量關(guān)系，指出馬氏體含量與材料強(qiáng)度之間呈強(qiáng)相關(guān)，與材料的應(yīng)變速率敏感性強(qiáng)弱之間卻是呈弱相關(guān)這一規(guī)律。普遍認(rèn)為TRIP鋼具有比DP鋼更強(qiáng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，TRIP鋼在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下的力學(xué)行為、斷裂模式等存在顯著的差異性。LI Zhuang 等［61］的研究表明，采用傳統(tǒng)模型（如Johnson-Cook 模型）來(lái)評(píng)估該類鋼種的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生不佳效果，這是由TRIP鋼的多相組織特性導(dǎo)致的。PYCHMINTSEV 等［62］對(duì)某Si-Mn系TRIP鋼進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，其強(qiáng)度和塑性分別隨應(yīng)變率的增加而提高和降低，他嘗試通過(guò)鋼中殘余奧氏體在高應(yīng)變率條件下的穩(wěn)定性予以解釋，指出隨著應(yīng)變速率的提升，材料絕熱溫升效應(yīng)增強(qiáng)，抑制了該類鋼的TRIP 相變效應(yīng)，此時(shí)的強(qiáng)穩(wěn)定性?shī)W氏體保證了塑性，而弱穩(wěn)定性?shī)W氏體削弱了塑性。何忠平［11］指出上述解釋有悖于關(guān)于馬氏體相變的經(jīng)典理論，認(rèn)為殘余奧氏體的含量、形態(tài)（塊狀和薄膜狀）和分布確實(shí)是影響其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，拉伸過(guò)程中基體殘余奧氏體的TRIP 效應(yīng)被形變“區(qū)域集中化”效應(yīng)抑制，是導(dǎo)致塑性低下的根本原因。但是QP 鋼在動(dòng)態(tài)形變條件下依舊會(huì)體現(xiàn)出充分的TRIP 效應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)充分的強(qiáng)塑性同步提升，其應(yīng)變速率敏感性對(duì)性能起到正面強(qiáng)化而非負(fù)面弱化的作用。TWIP 鋼隨應(yīng)變速率提升時(shí)，奧氏體將基于TWIP效應(yīng)轉(zhuǎn)化為孿晶，又因高速率導(dǎo)致變形困難會(huì)誘發(fā)奧氏體內(nèi)部多位向?qū)\晶轉(zhuǎn)變，從而細(xì)化了原奧氏體晶粒，促進(jìn)了形變過(guò)程的進(jìn)行，對(duì)塑性起到了提升作用，推遲了斷裂過(guò)程［63］。然而，如前所述，對(duì)于QP/TRIP/TWIP 鋼而言，實(shí)際沖壓后均會(huì)生成高碳、高位錯(cuò)密度板條或?qū)\晶馬氏體，而馬氏體組織對(duì)應(yīng)變速率不敏感，從而影響零部件的碰撞斷裂性能，因此，目前行業(yè)內(nèi)越來(lái)越多的研究者針對(duì)這類鋼，將研究重點(diǎn)從材料逐漸過(guò)渡到預(yù)應(yīng)變處理對(duì)其動(dòng)態(tài)力學(xué)行為和斷裂特性的影響機(jī)理層面。熱成形鋼這類馬氏體基體鋼種具有低甚至負(fù)應(yīng)變速率敏感性，不存在任何形變誘發(fā)增塑、增強(qiáng)的機(jī)制，預(yù)示其在碰撞過(guò)程中具有更強(qiáng)的斷裂趨向性。綜上所述，不同類別的汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼板因組織差異性，具有不同的應(yīng)變速率敏感性及動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，且對(duì)不同斷裂準(zhǔn)則模型的適應(yīng)性也不盡相同。未來(lái)應(yīng)致力于建立集應(yīng)力三軸度、洛德角、應(yīng)變速率、極限斷裂應(yīng)變“四維一體”的真正能反映高速動(dòng)態(tài)條件下的鋼材斷裂性能預(yù)測(cè)模型，使其完全貼合零部件實(shí)際服役工況。
此外，針對(duì)各種材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的精準(zhǔn)檢測(cè)技術(shù)難度一直高于靜態(tài)，所以要深入研究應(yīng)變速率對(duì)各類汽車鋼板動(dòng)態(tài)性能、斷裂性能的影響規(guī)律及機(jī)理，更加需要先進(jìn)檢測(cè)裝備方法的支撐。金屬動(dòng)態(tài)力學(xué)性能涉及的主要載荷有兩種：沖擊載荷和爆炸載荷。由于汽車碰撞一般所需最高瞬時(shí)應(yīng)變速率不會(huì)超過(guò)500 s-1，所以沖擊載荷條件下材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能是主要研究方向。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的檢測(cè)主要有兩類，第一類是傳統(tǒng)沖擊法，其中有沖擊測(cè)試法，相應(yīng)的設(shè)備有擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)和落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，前者又分為單擺錘試驗(yàn)機(jī)和雙擺錘試驗(yàn)機(jī)等，主要用于材料的動(dòng)態(tài)沖擊性能試驗(yàn)。這種普通試驗(yàn)機(jī)可以測(cè)得相應(yīng)的沖擊總功等少量參量。目前，行業(yè)一般采用功能較強(qiáng)的示波沖擊試驗(yàn)機(jī)，不僅可以得出沖擊總功還可以區(qū)分出沖擊起裂功、擴(kuò)展功等，便于從更加細(xì)微的層面研究材料的沖擊斷裂性能特性。但是，擺錘沖擊的能量往往偏低，尤其對(duì)于汽車零部件而言，其能量范圍無(wú)法滿足要求，所以當(dāng)前行業(yè)內(nèi)大多采用落錘試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行各類汽車用高強(qiáng)鋼材料及其典型安全構(gòu)件的碰撞性能測(cè)評(píng)。高響應(yīng)頻率、高剛度（抗慣性力）、合理的傳感器布局（載荷、位移、加速度等）、精度水平、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)智能化處理及輸出功能等是這類裝備的必備要求。采用落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)可獲取材料及其零部件的沖擊載荷、位移、碰撞加速度、沖擊能量和時(shí)間等不同參量之間的曲線，如果與SEM 斷口分析等材料級(jí)微觀表征相結(jié)合，還可較為精準(zhǔn)且全面地評(píng)估試驗(yàn)對(duì)象的沖擊斷裂性能特性。這類試驗(yàn)方法的優(yōu)勢(shì)是最貼近汽車的實(shí)際碰撞過(guò)程，通過(guò)合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)幾乎可以完美展示“真實(shí)”的碰撞過(guò)程。但是，這類試驗(yàn)方法的不足之處在于試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)對(duì)象的應(yīng)變速率并非恒定，難以獲取相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，進(jìn)而建立動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，所以試驗(yàn)數(shù)據(jù)本身難以應(yīng)用于汽車產(chǎn)品的安全仿真分析。第二類是試驗(yàn)法，主要包括高速拉伸、霍普金森壓桿（Hopkinson）等。這類方法可實(shí)現(xiàn)材料從低到高應(yīng)變速率工況下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)評(píng)，試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)變速率近似恒定，所以通過(guò)試驗(yàn)可以獲取動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)，且僅通過(guò)后續(xù)數(shù)據(jù)濾波糾錯(cuò)處理等，即可構(gòu)建動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，用于仿真分析。相比之下，霍普金森壓桿對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率范圍更寬，甚至能實(shí)現(xiàn)更高的應(yīng)變速率（≤10 000 s-1）。但是如前所述，鑒于汽車碰撞應(yīng)變速率范圍的限制，目前行業(yè)內(nèi)霍普金森壓桿的應(yīng)用較少，采用更多的是高速拉伸法。當(dāng)前，高速拉伸材料試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用已日趨普遍化和標(biāo)準(zhǔn)化，從試樣的設(shè)計(jì)、設(shè)備要求、數(shù)據(jù)處理方法、本構(gòu)模型的建立等均有相應(yīng)的流程。中國(guó)汽研率先建立了面向國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)的材料高速拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)T/CSAE 52—2016《金屬板材在高應(yīng)變速率下的力學(xué)性能測(cè)試方法》，并已在行業(yè)推廣多年，取得了一定的成效。未來(lái)這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)是：一方面研發(fā)出對(duì)應(yīng)不同應(yīng)力狀態(tài)的高速加載試驗(yàn)裝備；另一方面是將高速加載試驗(yàn)機(jī)與其他先進(jìn)測(cè)試技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)化，滿足未來(lái)汽車安全件開(kāi)發(fā)需求。
4、 各向異性對(duì)斷裂的影響
對(duì)于車身鈑金件，一般均為冷軋板。由于軋制過(guò)程的影響，鋼板均具有微觀織構(gòu)，該織構(gòu)會(huì)導(dǎo)致鋼板具有一定的力學(xué)性能各向異性，包括強(qiáng)度、塑性和延性等，這將導(dǎo)致鋼板斷裂性能也具有各向異性。因此，在評(píng)估鋼板材料的斷裂性能時(shí)，應(yīng)考慮各向異性這一因素。國(guó)內(nèi)外大批科研機(jī)構(gòu)，針對(duì)不同材料，從不同角度對(duì)各向異性進(jìn)行研究，一致得出以下結(jié)論：各向異性對(duì)材料的斷裂行為將產(chǎn)生顯著影響［64-68］。但是，針對(duì)具體的影響機(jī)制，國(guó)內(nèi)外也存在不同看法，目前分為兩種［6］：第一種，認(rèn)為材料的各向異性僅影響材料的本構(gòu)模型，而對(duì)斷裂面表達(dá)式無(wú)影響；第二種，認(rèn)為各向異性對(duì)材料本構(gòu)及斷裂面表達(dá)式均有影響。前者處理較為簡(jiǎn)單，僅需在材料本構(gòu)中引入各向異性因子即可，不對(duì)后續(xù)斷裂的預(yù)測(cè)構(gòu)成影響，在實(shí)際工程中應(yīng)用較多。后者將材料本構(gòu)與斷裂合二為一形成整體，一動(dòng)則全動(dòng)，增加了技術(shù)處理難度，目前應(yīng)用較少。此外，在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中還涉及以下關(guān)鍵問(wèn)題：首先，如何將各向異性表征參量因子合理地引入到現(xiàn)有模型中；其次，斷裂理論上均發(fā)生在最薄弱的方向上，應(yīng)系統(tǒng)地研究不同鋼種的各向異性與斷裂行為之間的定性、定量關(guān)系，積累數(shù)據(jù)，從而為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)依據(jù)。不過(guò)，在考慮了材料各向異性的前提下，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)針對(duì)高強(qiáng)鋼、鋁合金板材斷裂行為的研究都集中在平面應(yīng)力應(yīng)變的狀態(tài)層面，對(duì)于沿厚度方向的斷裂行為的研究往往被忽略了，這主要與沖壓及碰撞過(guò)程中板材的承載特性有關(guān)。然而，既然嚴(yán)格意義上板材依舊是三維體，那么軋制導(dǎo)致的組織“方向性”對(duì)板材的各向異性也應(yīng)有“三維”影響效應(yīng)，所以厚度方向上的各向異性理論也應(yīng)被考慮［69-70］，尤其隨著近年來(lái)汽車零部件成形技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究者也逐漸關(guān)注板材在厚度方向上的各向異性斷裂行為。但是，當(dāng)前車身鈑金件的厚度大多已降至2 mm 甚至1 mm以下，所以在此條件下，建立厚度方向上考慮各向異性的斷裂模型也存在較大難度。筆者認(rèn)為，針對(duì)乘用車領(lǐng)域所用鋼種板料的厚度范圍，為方便分析，可忽略厚度方向上的各向異性，但對(duì)商用車用零部件而言，其所用鋼板材料較乘用車零部件的更厚，這種厚度對(duì)斷裂更加敏感，在建立模型時(shí)應(yīng)予以考慮。
5、 工藝路徑對(duì)斷裂的影響
車身鈑金件不論冷或熱沖壓成形，均會(huì)對(duì)其所用材質(zhì)基體組織性能構(gòu)成進(jìn)一步影響。真正貼合零部件工況的斷裂模型構(gòu)建應(yīng)處于一定制造工藝路徑條件下，而非材料本身。多年的大量研究證實(shí)了制造過(guò)程對(duì)不同材質(zhì)斷裂性能會(huì)構(gòu)成顯著影響。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外在此領(lǐng)域的主流研究仍是針對(duì)沖壓過(guò)程展開(kāi)的，由于沖壓過(guò)程中材料基體處于拉延形變狀態(tài)，所以通過(guò)對(duì)材料施加一定的預(yù)拉應(yīng)變量，以研究這一處理過(guò)程前后材料斷裂性能的差異性和內(nèi)在機(jī)理。張宇等［71］對(duì)板料進(jìn)行了不同量的預(yù)拉應(yīng)變處理，然后進(jìn)行了斷裂性能的對(duì)比，結(jié)果表明預(yù)拉應(yīng)變通過(guò)改變斷裂模型參量值進(jìn)而影響板材的斷裂行為，其影響程度與預(yù)應(yīng)變量高低之間具有強(qiáng)烈的相關(guān)性，微觀機(jī)理在于預(yù)應(yīng)變量高低將改變板材在形變過(guò)程中的微孔密度高低及其演變過(guò)程。肖光春等［72］ 指出預(yù)應(yīng)變通過(guò)產(chǎn)生加工硬化（Work hardening），有利于提升強(qiáng)度，但不利于提高韌性，這源于預(yù)應(yīng)變會(huì)引起裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的增大。FUKUDA 等［73］通過(guò)對(duì)一系列管線鋼的研究，指出不同形式預(yù)應(yīng)變產(chǎn)生的包申格效應(yīng)（Bauschinger effect）和加工硬化現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼材的屈服強(qiáng)度出現(xiàn)或增或降的變化；導(dǎo)致鋼材的屈強(qiáng)比改變，進(jìn)而影響其斷裂性能（拉預(yù)應(yīng)變將導(dǎo)致屈服強(qiáng)度增大而提升屈強(qiáng)比，從而降低斷裂韌性）。此外，不同汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼對(duì)工藝路徑的敏感性不盡相同。對(duì)于當(dāng)前熱點(diǎn)的各類殘余奧氏體強(qiáng)韌化型鋼種而言，預(yù)應(yīng)變通過(guò)改變基體中的殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)（即理論層面成形后基體中生成的高脆硬馬氏體的體積分?jǐn)?shù)），從而對(duì)沖壓成形后零部件基體的斷裂韌性構(gòu)成顯著影響。從目前的大多研究結(jié)果來(lái)看，預(yù)應(yīng)變過(guò)程對(duì)材料斷裂性能造成的影響以負(fù)面影響居多［74-77］，值得高度關(guān)注。對(duì)于熱沖壓成形鋼而言，合金成分、加熱制度、淬火溫度、淬火壓力等均會(huì)影響淬火后零部件基體的馬氏體體積分?jǐn)?shù)、形貌尺寸、碳含量等，進(jìn)而影響斷裂韌性。與應(yīng)變速率、各向異性等因素不同，工藝路徑并不影響材料的本構(gòu)模型及斷裂準(zhǔn)則，所以從工程角度，針對(duì)工藝路徑對(duì)汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼斷裂性能的影響研究，應(yīng)著眼于對(duì)系統(tǒng)開(kāi)展不同類別鋼種與不同制造工藝路徑的關(guān)聯(lián)性研究，以積累大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而為零部件開(kāi)發(fā)提供工藝層面的指導(dǎo)依據(jù)。
6、 斷裂準(zhǔn)則模型
常應(yīng)變模型一般是通過(guò)單向拉伸試驗(yàn)的臨界斷裂應(yīng)變，所謂的等效失效塑性應(yīng)變是作為理論層面認(rèn)定材料是否發(fā)生斷裂失效的依據(jù)，并認(rèn)為不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)其等效失效塑性應(yīng)變達(dá)到拉伸試驗(yàn)獲得的臨界應(yīng)變值時(shí)即失效，如式（1）所示。
式中：εf為等效失效塑性應(yīng)變。常應(yīng)變模型作為最早使用的斷裂模型，在汽車碰撞仿真分析中使用最為廣泛，具有簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。然而，實(shí)際材料及其產(chǎn)品在服役過(guò)程中所處的應(yīng)力狀態(tài)是動(dòng)態(tài)的，不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)應(yīng)的材料力學(xué)行為不同，最終失效對(duì)應(yīng)的等效失效塑性應(yīng)變也不同，而常應(yīng)變模型僅以單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建，并不能表征真實(shí)的服役環(huán)境工況所對(duì)應(yīng)的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，預(yù)測(cè)精度顯然是較低的。
從微觀角度來(lái)看，材料的韌性斷裂過(guò)程是孔洞的形核、長(zhǎng)大、聚集過(guò)程。這一過(guò)程也是一個(gè)外部載荷導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)損傷并積累最終失效的過(guò)程。從損傷角度出發(fā)，當(dāng)前的韌性斷裂模型是基于損傷與材料力學(xué)性能之間的關(guān)系來(lái)界定的，一般分為耦合型和非耦合型兩類。在汽車碰撞分析中，應(yīng)用較為普遍的模型除了常應(yīng)變模型外，還有Jonson-Cook 模型［78］、Gissmo 模型［79］和MMC 模型［4］等，作為斷裂判據(jù)，這些模型均考慮了應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料斷裂性能的影響，行業(yè)認(rèn)可度較高。
6.1 耦合型損傷力學(xué)模型
耦合型損傷模型顯示服役過(guò)程中外部載荷導(dǎo)致的材料內(nèi)部損傷會(huì)改變材料的強(qiáng)塑性。耦合型斷裂力學(xué)模型主要有兩類，一是以GTN 為代表的細(xì)觀損傷模型，二是以Lemaitre 為代表的連續(xù)介質(zhì)損傷模型［80］。
6.1.1 細(xì)觀損傷力學(xué)
細(xì)觀損傷力學(xué)是以材料內(nèi)部的各種微尺度缺陷為基點(diǎn)，通過(guò)定性、定量研究其各自及相互間的協(xié)同演變規(guī)律和機(jī)理，并基于缺陷的微觀損傷模型構(gòu)建及體積平均法，進(jìn)一步建立損傷體積分?jǐn)?shù)與塑性屈服式之間的細(xì)觀模型。細(xì)觀損傷因材料強(qiáng)塑性差異而不同，針對(duì)韌性材料一般以微孔機(jī)制為主，而針對(duì)脆性材料則以微裂紋機(jī)制為主［81］。
GURSON 等［82］假定在某一無(wú)邊界限定的基體空間內(nèi)存在單一規(guī)格空穴缺陷，從數(shù)學(xué)層面推演此類空穴的體積分?jǐn)?shù)、尺寸規(guī)格的變化所導(dǎo)致的材料屈服強(qiáng)度變化規(guī)律，建立了定量化的理論關(guān)系模型［83-84］，從理論層面驗(yàn)證了空穴這一點(diǎn)缺陷對(duì)材料力學(xué)性能的微觀損傷機(jī)理。不過(guò)，這一模型也因其忽略了實(shí)際材料承載過(guò)程中內(nèi)部空穴之間的相互作用而存在一定的缺陷。TVERGAARD 等［85-87］在Gurson 模型的基礎(chǔ)上引入了3 個(gè)參量表征孔洞之間的相互影響，即q1、q2、q3，并在Gurson 模型中引入了其他參量表征失效發(fā)生過(guò)程中，材料基體中大量空穴運(yùn)動(dòng)聚集形成微孔洞并演化為裂紋這一效應(yīng)，從而對(duì)Gurson 模型做了關(guān)鍵性補(bǔ)充。而CHU等［88］又在Gurson 模型基礎(chǔ)上增加了與空穴的形核過(guò)程表征參量相關(guān)的內(nèi)容，進(jìn)一步完善了Gurson模型，這個(gè)模型就是細(xì)觀損傷力學(xué)中最具代表性的模型，即Gurson-Tvergaard-Needleman（GTN）模型，表達(dá)式為：
式中：σeq為等效應(yīng)力；σy為屈服強(qiáng)度；σH為宏觀靜水應(yīng)力，取靜水壓的3 倍值；q1、q2、q3 為損傷表征參量；f *為基體內(nèi)空穴的體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)不考慮基體中的空穴時(shí)即為傳統(tǒng)的Von Mises 模型。f *的表達(dá)形式，如式（3）所示。
式中：fc、fF 分別為材料在承載過(guò)程中基體內(nèi)大量的空穴開(kāi)始發(fā)生聚集，最終空穴聚集誘發(fā)材料斷裂所產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)的空穴體積分?jǐn)?shù)值。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究者對(duì)GTN 細(xì)觀損傷力學(xué)模型不斷完善和修正，大量研究圍繞非均勻性損傷演化和材料孔洞尺寸、形狀效應(yīng)展開(kāi)。
PARDOEN 等 ［89］進(jìn)一步在傳統(tǒng)GTN 模型的基礎(chǔ)上，考慮了承載過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)、加工硬化，以及基體中空穴的形狀、尺寸、間距等參量，建立了更加全面的基于空穴演化機(jī)制的材料斷裂模型，具有廣泛的適應(yīng)性。BENZERGA［90］進(jìn)一步考慮了空穴在一定尺度材料基體中的三維空間分布狀態(tài)，引入了相應(yīng)的參量，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)GTN 模型的修正，并預(yù)測(cè)了不同形狀特征的空穴的演化機(jī)制及其對(duì)材料性能的影響規(guī)律，為材料開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)空穴這一類點(diǎn)缺陷的科學(xué)調(diào)控提供了指導(dǎo)依據(jù)。
ZHANG等［91］則是進(jìn)一步研究了尺寸、形貌特征這些因素對(duì)基體中大量的空穴相互間的交互作用的影響規(guī)律，建立了基于空穴“群”非均勻性存在特性條件下的細(xì)觀損傷模型。李曉紅等［92］則通過(guò)類似的研究指出，空穴“群”這種非均勻存在特性將是增大材料損傷（導(dǎo)致q1、q2增加）的不利因素。文潔［93］進(jìn)一步建立了基于圓柱形和圓球形體胞、考慮了空穴尺寸參量的修正型Gurson 屈服準(zhǔn)則模型。此外，還有一些研究者［94-96］ 基于對(duì)空穴體積增長(zhǎng)率修正參量的GTN 模型，研究了在低剪切工況應(yīng)力三軸度下，材料基體中空穴的演化規(guī)律及其對(duì)材料斷裂性能的影響，建立了相應(yīng)的細(xì)觀損傷力學(xué)模型，從而將材料微觀組織特性與宏觀斷裂特性有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，但是站在工業(yè)推廣角度，可操作性卻并不強(qiáng)，尤其是所涉及的相關(guān)微觀組織和缺陷參量的獲取困難，所以目前僅用于基礎(chǔ)科研，在汽車行業(yè)內(nèi)未能獲得應(yīng)用。
6.1.2 連續(xù)損傷力學(xué)
連續(xù)損傷也屬耦合型損傷力學(xué)范疇，是一種唯象理論方法，基于連續(xù)介質(zhì)這一設(shè)定，利用損傷因子表征材料在外載荷條件下的微觀損傷狀態(tài)，與連續(xù)介質(zhì)系統(tǒng)的力學(xué)、熱學(xué)參量相結(jié)合，構(gòu)建集微觀、宏觀于一體的材料損傷模型，詮釋材料的損傷過(guò)程。典型連續(xù)損傷模型（如Continuum Damage Mechanics（CDM）模型）［97］采用連續(xù)度φn 詮釋材料的損傷程度，并將材料基體中的缺陷狀態(tài)演化規(guī)律與材料的宏觀力學(xué)模型相結(jié)合來(lái)描述材料的失效過(guò)程。CDM模型如式（4）所示。
式中：Ã為加載過(guò)程中的每個(gè)瞬間，外部載荷實(shí)際作用于材料的有效面積值；A0為材料的初始承載面積值（如沿著與加載方向垂直的橫截面積）。
GOLOGANU 等［98］引入損傷因子Dn，進(jìn)一步完善了CDM 模型，提出更加全面的損傷模型，該模型如式（5）所示。
當(dāng)Dn=0 時(shí)，表示材料處于無(wú)損狀態(tài)；當(dāng)Dn=1時(shí)，材料發(fā)生失效。如果不考慮材料組織、力學(xué)性能的各向異性，損傷因子Dn與作用于材料的有效應(yīng)力
有關(guān)，具體如式（6）所示。
式中：
為初始加載時(shí)刻作用于材料有效面積上的應(yīng)力值。
LEMAITRE［99-100］在CDM 模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善，建立了依舊基于材料組織性能各向同性、應(yīng)變等效性（材料基于
和真實(shí)應(yīng)力作用下的應(yīng)變具有等效性）的兩大假定條件下，集損傷參量、有效應(yīng)力于一體的更加全面的損傷模型。
行業(yè)發(fā)展需研究大量處于高速動(dòng)態(tài)條件下的材料力學(xué)行為和斷裂失效機(jī)理。此條件下的材料往往具有不同程度的應(yīng)變速率敏感性，并具有絕熱誘發(fā)基體內(nèi)部溫升進(jìn)而影響材料性能的特點(diǎn)。這方面的代表模型之一是JC（Johnson-Cook）模型，該模型囊括了應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變速率及溫度，用于評(píng)價(jià)材料的斷裂性能，具體如式（7）所示。
式中：D1、D2、D3、D4、D5為材料參數(shù)；
為無(wú)量綱塑性應(yīng)變速率；
為準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)的應(yīng)變速率；T* =(T - Tr)(T - Tm)為無(wú)量綱溫度，Tr 為室溫，Tm為熔點(diǎn)。JC 模型以線性方式計(jì)算損傷積累，損傷因子D的計(jì)算式為：
式中：Δεp為材料的應(yīng)變變化；εf為材料斷裂失效對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)變值，當(dāng)D=1時(shí)，材料完全斷裂。
JC模型考慮了影響材料斷裂性能的諸多因素具有較強(qiáng)的全面性，適用于高速?zèng)_擊大變形這一高應(yīng)力三軸度條件下對(duì)材料斷裂性能的較為精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。不過(guò)該模型建立所對(duì)應(yīng)的材料參量較多，構(gòu)建模型所涉及的檢測(cè)工作較為繁重，加之該模型中大量材料參量之間還存在相互影響，這就進(jìn)一步增加了構(gòu)建的難度，所以從工程應(yīng)用角度考慮，這種方法實(shí)用性稍顯不足。而這些缺點(diǎn)，往往也是很多耦合性損傷模型的共性問(wèn)題。
6.2 非耦合型斷裂模型
相比于以GTN 和CDM 為代表的復(fù)雜耦合型損傷模型，非耦合型斷裂模型的材料參數(shù)較少且參數(shù)的測(cè)定過(guò)程較為簡(jiǎn)單，更適用于工業(yè)應(yīng)用。非耦合型斷裂模型的出發(fā)點(diǎn)在于認(rèn)定材料性能和承載過(guò)程中載荷對(duì)材料造成的損傷之間沒(méi)有關(guān)系，損傷因子通過(guò)對(duì)等效應(yīng)變，即對(duì)0→斷裂極限應(yīng)變進(jìn)行積分求得。針對(duì)損傷因子的獲取，如式（9）所示。
式中：
為斷裂極限應(yīng)變；
為單位時(shí)間內(nèi)的應(yīng)變變化值。
囊括了應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率3 個(gè)張量參數(shù)的函數(shù)表達(dá)形式。當(dāng)D=1.0 時(shí)發(fā)生斷裂失效。利用式（9）可表征任意加載路徑條件下材料的損傷積累及其斷裂面特征，而在比例加載這一特殊情況下可簡(jiǎn)化為：
基于上述基本理論法，業(yè)界多年來(lái)從不同角度提出了多種斷裂模型。OYANE 等［101］將靜水應(yīng)力參量納入到材料壓縮斷裂性能研究中，建立了相應(yīng)的斷裂模型，如式（11）所示。
式中：σm為靜水應(yīng)力；
為等效應(yīng)力；Coyane為材料常數(shù)。COCKCROFT 等［102］認(rèn)為最大拉應(yīng)力是材料破壞的主要因素，建立了C&L準(zhǔn)則模型的表達(dá)式為：
式中：σ1為最大主應(yīng)力。
BROZZO 等［103］考慮了靜水應(yīng)力的作用，對(duì)C&L 準(zhǔn)則模型做了修正，建立了修正模型，如式（13）所示。
式中：CB為材料常數(shù)。
斷裂韌性準(zhǔn)則在金屬成形領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用，然而上述所有準(zhǔn)則都不具有普適性。由于從工程角度來(lái)看，應(yīng)用一種斷裂模型時(shí)需要通過(guò)仿真等技術(shù)手段對(duì)斷裂參量進(jìn)行校核，而如前所述，材料在不同應(yīng)力狀態(tài)（三軸度）條件下的損傷、斷裂特性均不相同，極限斷裂應(yīng)變值也不相同，所以采用一種斷裂模型去校核其他應(yīng)力狀態(tài)下材料的斷裂性能參量就可能存在較大的誤差。也是基于此，關(guān)于開(kāi)發(fā)具有較強(qiáng)普適性的非耦合型韌性斷裂模型正成為行業(yè)趨勢(shì)，代表性成果如Modified Mohr-Coulomb（MMC）模型，以及LOU Yanshan 等［104-106］提出的DF2012、DF2014和DF2015模型。
LOU Yanshan 等提出的模型是基于孔洞形核、生長(zhǎng)和聚合3 種微觀缺陷演化機(jī)理的韌性斷裂模型。在形核機(jī)制方面，該模型顯示缺陷形核起源于應(yīng)變變化，所以利用應(yīng)變作為缺陷形核的表征參量。此外，該模型采用等效應(yīng)變來(lái)描述缺陷的演化過(guò)程。該團(tuán)隊(duì)深入研究了各種應(yīng)力狀態(tài)導(dǎo)致的應(yīng)變變化過(guò)程對(duì)缺陷的影響規(guī)律，驗(yàn)證了應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料承載過(guò)程中的缺陷演化會(huì)起到不同的作用。例如，材料處于單壓縮狀態(tài)下（-1/3η 應(yīng)力三軸度工況下），載荷對(duì)材料內(nèi)部的缺陷會(huì)起到有效的抑制作用。因此，該模型使用1+3η 這一參量來(lái)表征承載過(guò)程中缺陷的變化。而針對(duì)如空穴這類導(dǎo)致材料斷裂失效的最重要缺陷，LOU Yanshan 等認(rèn)為其更容易易沿材料基體內(nèi)最大剪切力方向發(fā)生聚集，所以在斷裂模型中也采用了基于該機(jī)制的無(wú)量綱參量表達(dá)形式來(lái)表征缺陷的聚集效應(yīng)。LOU Yanshan 等的斷裂準(zhǔn)則在線性加載時(shí)的表達(dá)式為：
利用羅德參數(shù)L 和應(yīng)力三軸度來(lái)表示，如式（15）所示。
式中：C1、C2 和C3 分別表示最大剪應(yīng)力和應(yīng)力三軸度對(duì)孔洞形核、長(zhǎng)大和聚合的影響參數(shù)。當(dāng)加載路徑為非線性時(shí)［105］，采用其積分形式，如式（16）所示。
研究表明，上述斷裂準(zhǔn)則在較大的應(yīng)力三軸度范圍內(nèi)具有良好的可靠性。但是，由于該韌性斷裂模型只考慮了最大剪應(yīng)力的作用，僅適用于剪切斷裂性能預(yù)測(cè)。
美國(guó)麻省理工的BAI Yuanli 等［107］根據(jù)Mohr-Coulomb 斷裂機(jī)理得到MMC （Modified Mohr-Coulomb Model）斷裂模型，如式（17）所示。通過(guò)采用應(yīng)力三軸度和洛德角替換Mohr-Coulomb 模型中的相關(guān)參數(shù)，設(shè)定剪應(yīng)力和摩擦力的混合應(yīng)力達(dá)到臨界值時(shí)斷裂發(fā)生。
在MMC 模型斷裂準(zhǔn)則中，假設(shè)損傷按照線性進(jìn)行積累，定義的損傷指數(shù)D如式（18）所示。
當(dāng)D=1 時(shí)，斷裂發(fā)生。同時(shí)，MMC 斷裂模型中，在材料發(fā)生不穩(wěn)定性變形如頸縮后，應(yīng)力按照式（19）進(jìn)行衰減。
式中：
為真應(yīng)力；Dc為應(yīng)力降為0 時(shí)對(duì)應(yīng)的損傷因子臨界值；D0為不穩(wěn)定變形時(shí)對(duì)應(yīng)的初始損傷因子值。
BAI Yuanli等［107］利用2024-T351鋁合金驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明在絕大多數(shù)樣品狀態(tài)及服役工況條件下，斷裂曲面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)之間具有良好的契合度，所以MMC韌性斷裂準(zhǔn)則可以在很廣泛的應(yīng)力狀態(tài)范圍內(nèi)提供較為可靠的預(yù)測(cè)結(jié)果。但是，MMC模型存在一定的局限性，因?yàn)槠浠A(chǔ)理論是預(yù)測(cè)巖土脆性斷裂的MC模型，所以難以從韌性斷裂機(jī)理的角度去解釋材料的韌性斷裂行為。
GISSMO （Generalized Incremental Stress State Dependent Damage Model）是一種典型的唯象損傷斷裂準(zhǔn)則，以非線性損傷累積的方式描述材料從變形到破壞的整個(gè)過(guò)程，而不追究損傷的物理背景和材料內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化。GISSMO 斷裂準(zhǔn)則來(lái)源于Johnson-Cook 模型，該模型囊括了材料在承載過(guò)程中從失效源頭萌生到最終失效發(fā)生的全過(guò)程，相比于其他斷裂模型更加全面，所以采用該模型預(yù)測(cè)材料的斷裂性能精度往往較高，當(dāng)前在行業(yè)內(nèi)的認(rèn)可度也較強(qiáng)，應(yīng)用較為普遍。此外，GISSMO 中允許任意路徑的裂紋產(chǎn)生，裂紋的產(chǎn)生與否由損傷因子D 決定。當(dāng)前GISSMO 斷裂準(zhǔn)則和MMC 模型匹配使用，在汽車行業(yè)已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，應(yīng)用成效良好，切實(shí)起到了提升仿真精度的作用。
式中：n表征損傷程度；Δεp為單位時(shí)間內(nèi)的應(yīng)變變化量；εf 為材料基于不同承載工況下的斷裂極限等效應(yīng)變，當(dāng)D=1時(shí)，材料失效。
通過(guò)以上分析可知，耦合型和非耦合型韌性斷裂預(yù)測(cè)模型都得到了發(fā)展。原始GTN 模型只在高應(yīng)力三軸度條件下適用，改進(jìn)的GTN 模型可用于低應(yīng)力三軸度下的情況。CDM 模型與GTN 模型相比，減少了需測(cè)定的材料參數(shù)。但是，耦合型斷裂模型參數(shù)之間存在耦合關(guān)系，適用性較低。非耦合型斷裂模型在參數(shù)測(cè)定和適用性方面具有更顯著的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到廣泛關(guān)注，以韓國(guó)科技學(xué)院LOU Yanshan 的DF2012、DF2014、DF2015 模型和英國(guó)麻省理工學(xué)院的MMC模型最具代表性。但是，LOU Yanshan 考慮了最大剪應(yīng)力的作用，僅適用于剪切狀態(tài)斷裂模型的情況。MMC 模型難以從韌性斷裂機(jī)理的角度解釋材料的韌性斷裂行為，而Gissmo模型則較好地彌補(bǔ)了這方面的缺陷。
如前所述，對(duì)于汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼而言，根據(jù)軋制過(guò)程的影響，應(yīng)該考慮其各向異性對(duì)斷裂性能的影響。此外，針對(duì)汽車產(chǎn)品碰撞性能的高精度預(yù)測(cè)的行業(yè)需求，建立考慮應(yīng)變速率的斷裂模型更有工程實(shí)踐意義?；谏鲜龇治?，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大量研究者也正致力于如何在現(xiàn)有模型中引入各向異性和應(yīng)變速率兩大參量因子，進(jìn)一步提升模型的工程實(shí)用價(jià)值。
大多現(xiàn)有模型在實(shí)際工程應(yīng)用中將材料考慮為各向同性實(shí)體。如何將其轉(zhuǎn)化為各向異性實(shí)體，目前的主要方法有：將現(xiàn)有模型中的關(guān)鍵力學(xué)參量（如等效應(yīng)力）轉(zhuǎn)化為其他考慮了各向異性因素的修正性力學(xué)參量。近年來(lái)，大量研究者均對(duì)此進(jìn)行了嘗試，并針對(duì)不同材料的斷裂性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，要實(shí)現(xiàn)更高的斷裂性能預(yù)測(cè)精度，必須考慮各向異性這一關(guān)鍵因素。在細(xì)觀損傷力學(xué)模型領(lǐng)域，文獻(xiàn)［6］從更加微觀的層面對(duì)各向異性模型的建立及其應(yīng)用進(jìn)行了研究，這些研究聚焦于基于形變導(dǎo)致材料基體中的孔洞出現(xiàn)數(shù)量、形狀、分布方面的變化，從而導(dǎo)致板材在沿平面和厚度兩個(gè)方向上的斷裂性能出現(xiàn)各向異性。嘗試建立基于孔洞特征參量的各向異性表征參量，并納入到諸如Gurson等模型中，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種材料斷裂性能更加精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)模擬，取得了一定的成效。此外，在連續(xù)損傷模型領(lǐng)域也開(kāi)展了大量工作，如學(xué)術(shù)界嘗試將損傷關(guān)鍵表征參量的損傷因子從傳統(tǒng)模型的標(biāo)量形式轉(zhuǎn)化為張量形式，以提升模型實(shí)用性，典型模型為L(zhǎng)emaitre 模型及以此為基礎(chǔ)提出的新的相關(guān)修正模型［108］。非耦合型韌性斷裂模型是當(dāng)前金屬板材斷裂領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。針對(duì)金屬板材，斷裂性能不僅與應(yīng)力三軸度、洛德角參量相關(guān)，還與加載方向有關(guān)。近年來(lái)，針對(duì)諸如MMC 等典型非耦合型韌性斷裂模型，業(yè)界也在嘗試建立考慮各向異性的全新模型。對(duì)于考慮各向異性因素的斷裂模型也存在行業(yè)流派的差異性，第1 類研究者在構(gòu)建模型時(shí)認(rèn)為斷裂曲面仍然是各向同性的，與傳統(tǒng)斷裂模型的差異僅在于斷裂計(jì)算過(guò)程中，基于線性變換的等效塑性應(yīng)變?cè)隽坎捎玫氖歉飨虍愋詶l件下的數(shù)據(jù)（代表方法如Hill 48等效塑性應(yīng)變?cè)隽刻娲璏ises等效塑性應(yīng)變?cè)隽浚?］。第2 類研究者認(rèn)為材料斷裂面即為各向異性，在斷裂面表達(dá)式中直接引入各向異性參數(shù)即可建立全新的模型。相對(duì)而言第2 類研究者的操作方法，是直接假設(shè)材料的斷裂面同樣具有各向異性特征，應(yīng)該構(gòu)建基于各向異性表征參量斷裂曲面才能真正體現(xiàn)材料的真實(shí)斷裂性能。但是，相比之下后者的工作量較前者的工作量顯然要大很多，所以當(dāng)前行業(yè)內(nèi)，前者的方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用相對(duì)更廣泛。
針對(duì)材料應(yīng)變速率特性的表征，一般采用應(yīng)變速率敏感性模型，此類模型就層級(jí)而言可分為唯象層級(jí)及物理層級(jí)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)應(yīng)用較為廣泛的還是唯象層級(jí)模型，這得益于該類模型更加實(shí)用，易應(yīng)用于工程化開(kāi)發(fā)中。而物理模型典型如Zerilli-Armstrong、Brown-Anand 等［109-110］相比之下較為復(fù)雜，所以更多地適用于理論研究領(lǐng)域。對(duì)于應(yīng)變速率因素的引入，與各向異性因素的引入理念類似，當(dāng)前行業(yè)的主流方法是將Jonson-Cook、Cowper-Symonds、Khan-Huang-Liang 等動(dòng)態(tài)材料本構(gòu)模型與斷裂準(zhǔn)則模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)條件下材料斷裂性能的預(yù)測(cè)。目前，中國(guó)汽研基于此種方法已針對(duì)數(shù)10 種汽車用鋼及鋁合金材料進(jìn)行了研究。當(dāng)前高精度動(dòng)態(tài)斷裂預(yù)測(cè)模型研究的焦點(diǎn)主要在于材料動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型精度的不斷提升。不同的鋼種，由于組織差異性（當(dāng)前汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼開(kāi)發(fā)正向多相、亞穩(wěn)方向發(fā)展，組織復(fù)雜程度逐年增加，呈現(xiàn)出多樣化的靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能差異性），在相同動(dòng)態(tài)條件下表現(xiàn)出來(lái)的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為是不同的，且同一種材料在不同應(yīng)變速率條件下的應(yīng)變強(qiáng)化行為也是不同的，所以單一套用某種本構(gòu)模型進(jìn)行擬合來(lái)獲得較高的精度已越來(lái)越困難。目前，提升動(dòng)態(tài)模型精度的方法有兩種，第1 種是對(duì)現(xiàn)有動(dòng)態(tài)模型中的應(yīng)變率項(xiàng)進(jìn)行形式修正或直接采用形式表達(dá)式予以替換［111-113］；第2 種是針對(duì)不同應(yīng)變速率范圍，采用精度最高的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型進(jìn)行擬合，并以引入1 個(gè)權(quán)重因子的方式將多個(gè)函數(shù)進(jìn)行復(fù)合，從而提升精度［114］。隨著汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼的類別不斷推陳出新，亟待通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試，以期積累大量汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼的動(dòng)態(tài)性能數(shù)據(jù)，再基于數(shù)據(jù)分析，提出面向每一類特定鋼種的動(dòng)態(tài)性能本構(gòu)模型建立流程方法，并集成應(yīng)用于對(duì)各類鋼種斷裂性能的預(yù)測(cè)中。
7、 高精度損傷斷裂模型建立方法
當(dāng)前，建立基于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂失效準(zhǔn)則模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類汽車安全件碰撞性能的高精度預(yù)測(cè)，正逐漸被國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)認(rèn)可，也正逐漸替代一些傳統(tǒng)的技術(shù)手段，并應(yīng)用于汽車行業(yè)。
目前主流的技術(shù)流程如下：基于各種性能測(cè)試與仿真對(duì)標(biāo)，建立材料級(jí)的本構(gòu)模型（各向同性或異性）和材料級(jí)的斷裂準(zhǔn)則模型，再將兩種模型結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行零部件級(jí)的安全性能仿真，并通過(guò)測(cè)試試驗(yàn)對(duì)模型精度進(jìn)行驗(yàn)證。
7.1 材料本構(gòu)模型的建立
7.1.1 本構(gòu)模型介紹
本構(gòu)模型泛指應(yīng)力張量與應(yīng)變張量之間的關(guān)系，其作用主要是將連續(xù)介質(zhì)的變形與內(nèi)力聯(lián)系起來(lái)［115］。就金屬板材而言，在LS_DYNA 程序中，以MAT_24和MAT_36應(yīng)用最為廣泛［116］。
MAT_24_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY是目前軟件中常見(jiàn)的各向同性材料本構(gòu)模型，對(duì)應(yīng)von Mises 屈服準(zhǔn)則，技術(shù)人員需要輸入材料密度、屈服應(yīng)力、楊氏模量、切線模量或真應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線、泊松比。模型中可定義雙線性或任意真應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線，通過(guò)Cowper-Symonds 方程或Table 形式考慮應(yīng)變速率的影響，其中Table 形式為輸入材料在不同應(yīng)變速率條件下真應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線，Cowper-Symonds方程如式（21）所示。
式中：
為等效塑性應(yīng)變值；
為等效塑性應(yīng)變速率；σy 為對(duì)應(yīng)
的應(yīng)力值；
為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力值；C、p均為待擬合的材料參數(shù)。
MAT_36（MAT_3_PARAMETER_BARLAT）是軟件中常見(jiàn)的各向異性材料本構(gòu)模型，其對(duì)應(yīng)3參數(shù)Barlat-Lian 屈服準(zhǔn)則（代表模型如Barlat1989、Barlat1991、Barlat1994、Barlat1996等，針對(duì)各向異性也可選擇行業(yè)應(yīng)用非常廣泛的Hill系列模型；典型模型如Hill1948、Hill1979、Hill1990、Hill1993 等，其中Hill1948 屈服模型對(duì)高強(qiáng)鋼的屈服行為描述十分準(zhǔn)確，非常適用于高強(qiáng)鋼），技術(shù)人員需要輸入材料的密度、屈服應(yīng)力、楊氏模量、真應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線、泊松比、材料樣品沿不同方向的Lankford 值（0º、45º、90º方向）。模型中可定義任意的真應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線或Swift、Voce、Gosh、Hocket-Sherby等硬化模型參數(shù)，同樣也可通過(guò)Cowper-Symonds方程或Table形式考慮應(yīng)變速率的影響。
7.1.2 數(shù)據(jù)處理
首先，為準(zhǔn)確建立材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，需進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)，獲得材料在不同應(yīng)變速率下的力學(xué)性能。
通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)測(cè)試，獲得材料在不同應(yīng)變速率下的力F 和變形ΔL，采用式（22）和式（23）計(jì)算獲得材料的工程應(yīng)力和工程應(yīng)變。
式中：A0為試樣標(biāo)距段橫截面積；L0為標(biāo)距初始長(zhǎng)度。
各應(yīng)變速率下的真實(shí)應(yīng)力、真實(shí)應(yīng)變及塑性應(yīng)變由式（24）～（26）計(jì)算得到。
在力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)中，只能獲得頸縮點(diǎn)前的真應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線，對(duì)于頸縮點(diǎn)后的真應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)直接測(cè)試獲得。然而，對(duì)于絕大多數(shù)材料而言，頸縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值往往較小，無(wú)法滿足在仿真中表征材料大變形的需求?；诟鲬?yīng)變速率下獲得的頸縮點(diǎn)前真應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線，國(guó)內(nèi)外大量研究者提出了多種硬化模型，典型模型如Ghosh、Hollmon、Ludwik、Voce、Swift、Hockett-Sherby 等。本文基于行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，為滿足精度要求，采用如前所述的“復(fù)合-權(quán)重”擬合法，即采用Swift、 Hockett-Sherby 和Swift-Hockett-Sherby 硬化模型進(jìn)行擬合［115］，各硬化模型如式（27）～（29）所示。
式中：K、ε0、n、a、b、c、p 為待擬合系數(shù)；α 為權(quán)重系數(shù)，其值介于0～1之間。通過(guò)擬合，獲得各硬化模型參數(shù)值，并采用仿真對(duì)標(biāo)來(lái)確定各模型的權(quán)重系數(shù)α。典型靜、動(dòng)態(tài)測(cè)試及仿真曲線如圖1所示，可以看出測(cè)試與仿真結(jié)果吻合度高，驗(yàn)證了基于多模型“復(fù)合-權(quán)重”擬合法，有利于提高本構(gòu)模型精度。
圖1 靜、動(dòng)態(tài)試及仿真曲線
圖2 孔洞的形核、長(zhǎng)大、失效及斷裂過(guò)程［17］
7.2 材料斷裂模型的建立
7.2.1 斷裂模型介紹
金屬材料韌性斷裂是損傷積累的結(jié)果，是由于微觀孔洞在晶界、第2 相粒子與基體的界面等位置形核，所以在應(yīng)力和塑性應(yīng)變的驅(qū)動(dòng)下微孔數(shù)量、形狀和體積進(jìn)一步演化，致使微孔洞聚合連接而形成裂紋，這一過(guò)程稱為損傷積累和演化［117-119］。如前所述，材料斷裂與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)［120］。材料的應(yīng)力狀態(tài)可用應(yīng)力三軸度η 表征［17］，如式（30）所示。
式中：p為靜水壓力；q為Mises等效應(yīng)力；I1為第1應(yīng)力不變量；J2為第2偏應(yīng)力張量不變量。
對(duì)于汽車安全構(gòu)件用鋼，其服役工況通常不是準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率條件，需考慮應(yīng)變率對(duì)于斷裂模型的影響。斷裂模型中，直接考慮應(yīng)變率斷裂效應(yīng)的斷裂模型較少。Johnson-Cook 斷裂模型里考慮了應(yīng)變率因子的影響，Gissmo斷裂模型里考慮了應(yīng)變率對(duì)于損傷演化m 值的影響作用。其余斷裂模型中大多采用應(yīng)變率修正曲線對(duì)斷裂模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)目s放。
7.2.2 試樣設(shè)計(jì)
材料斷裂模型的開(kāi)發(fā)依賴于斷裂試驗(yàn)所獲取的相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而斷裂試驗(yàn)試樣的形狀則極大地影響了試驗(yàn)所獲數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)好的斷裂試樣應(yīng)滿足以下條件。
1）應(yīng)變盡量集中在測(cè)量區(qū)，且試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)力三軸度變化較小。
2）測(cè)量區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變分布比較均勻。
3）避免斷裂發(fā)生在邊緣或其他難以表征應(yīng)力狀態(tài)的特殊位置。
4）中間區(qū)域沒(méi)有離面位移。
5）試件易于加工，沒(méi)有殘余應(yīng)力。
綜上所述，許多研究者進(jìn)行了多種試樣的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。MIYAUCHI［121］設(shè)計(jì)了一種適用于板材剪切受力狀況的試樣（圖3）。這種式樣具有對(duì)稱的切口，可以在兩個(gè)區(qū)域中實(shí)現(xiàn)材料的剪切受力。BAO Yingbin 等［122］提出了一種主要變形區(qū)減薄的剪切試樣（圖4），該試樣在斷裂失效時(shí)塑性應(yīng)變集中且斷裂失效不會(huì)發(fā)生在邊緣處。蘭州理工大學(xué)的朱浩［123］設(shè)計(jì)了蝴蝶型剪切試樣（圖5），通過(guò)改變加載孔的位置，可實(shí)現(xiàn)多種剪切狀態(tài)的改變。清華大學(xué)的曾龍［124］設(shè)計(jì)了多種開(kāi)口的缺口試樣（圖6）進(jìn)行仿真及試驗(yàn)，驗(yàn)證了不同結(jié)構(gòu)的試樣能代表材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的受力情況。西南交通大學(xué)的于思淼等［125］設(shè)計(jì)了一整套不同應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂試樣（圖7），試驗(yàn)結(jié)合仿真開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的損傷斷裂模型。綜上，雖然各國(guó)研究者設(shè)計(jì)了很多斷裂試樣，但大部分研究者的工作都只針對(duì)剪切狀態(tài)和拉伸狀態(tài)，對(duì)于壓縮狀態(tài)試樣研究較少。同時(shí)，由于板材形狀限制，設(shè)計(jì)一個(gè)好的壓縮應(yīng)力狀態(tài)的試樣難度較大。
圖3 剪切試樣1#［121］
圖4 剪切試樣2#［122］
圖5 蝴蝶型剪切試樣［123］
圖6 多種比例缺口試樣［124］
圖7 不同應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂試樣［125］
本研究主要采用如圖8 所示的5 種可表征不同應(yīng)力狀態(tài)的斷裂試樣，分別為剪切試樣、中心孔拉伸試樣、R5缺口拉伸試樣、R10缺口拉伸試樣、杯突試樣。原則上設(shè)計(jì)越多結(jié)構(gòu)的樣品，越能實(shí)現(xiàn)對(duì)材料應(yīng)力狀態(tài)領(lǐng)域的全覆蓋，越有利于提高斷裂模型精度，但是設(shè)計(jì)樣品越多，工作量也越大，不利于行業(yè)推廣應(yīng)用。此外，為準(zhǔn)確表征材料的應(yīng)力狀態(tài)，除上述5 種應(yīng)力狀態(tài)外，還應(yīng)涉及壓應(yīng)力狀態(tài)，典型壓應(yīng)力狀態(tài)如單軸壓縮、雙軸壓縮、平面壓縮等。但是，就乘用車車身鈑金件而言，其目前厚度范圍一般為1～2 mm 甚至更低，對(duì)其進(jìn)行壓縮測(cè)試難度高，壓縮過(guò)程中試樣失穩(wěn)趨向性強(qiáng)，可操作性差，且實(shí)際碰撞工況下，形變部位往往為平面拉應(yīng)變狀態(tài)，所以目前行業(yè)一般采用以上述幾種應(yīng)力狀態(tài)下的設(shè)計(jì)樣品為主。
圖8 幾種典型的斷裂試樣
由圖8 可知，雖然上述試樣設(shè)計(jì)能夠覆蓋大部分應(yīng)力狀態(tài)，但是卻顯著增加了整個(gè)斷裂模型建立的工作量。因此，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究者也在思考是否能盡量簡(jiǎn)化試樣系列，降低工作量，便于在行業(yè)內(nèi)推廣。
近年來(lái)，隨著高強(qiáng)鋼在汽車上的應(yīng)用逐漸增加，三點(diǎn)彎曲法被越來(lái)越多地用于評(píng)價(jià)車用高強(qiáng)鋼的成形和碰撞安全性能［126-132］。一些用于測(cè)試和評(píng)價(jià)高強(qiáng)鋼彎曲性能的標(biāo)準(zhǔn)也逐漸制定出來(lái)［133-134］，如ISO 7438：2020 Metallic Materials-Bend Test 和VDA 238-100 Test Specification Draft：Plate Bending Test for Metallic Materials，使用最廣泛的是后者（即極限尖冷彎試驗(yàn)）。在汽車碰撞過(guò)程中，零部件會(huì)發(fā)生折彎，出現(xiàn)極限尖彎曲變形，其應(yīng)變狀態(tài)為平面拉伸應(yīng)變。在極限尖冷彎試驗(yàn)中，板料外表面處于大應(yīng)變梯度的平面應(yīng)變拉伸狀態(tài)，與沖頭接觸的內(nèi)表面處于平面應(yīng)變壓縮狀態(tài)；在板料外表面由于應(yīng)變梯度都較大，材料還沒(méi)發(fā)生不穩(wěn)定性頸縮時(shí)就已經(jīng)發(fā)生斷裂［135］；裂紋產(chǎn)生后通常在外表面會(huì)出現(xiàn)波紋，波紋逐漸擴(kuò)展，損傷積累到一定程度后導(dǎo)致完全斷裂［136-137］。在高強(qiáng)鋼中，表面存在波紋時(shí)，厚度方向常出現(xiàn)剪切帶，斷裂發(fā)生在剪切帶處［138］，彎曲性能由板料的局部韌性決定［139］。因此，極限尖冷彎試驗(yàn)可以很好地表征測(cè)試板料在平面應(yīng)變下的變形行為，進(jìn)而可用于表征B 柱、防撞梁等典型汽車安全件的平面應(yīng)變彎曲變形狀態(tài)（契合碰撞工況）。
在VDA 238-100 標(biāo)準(zhǔn)中，常以冷彎角作為評(píng)價(jià)板材極限冷彎性能好壞的參量，其試驗(yàn)裝置如圖9所示［134］，板料尺寸為60 mm×60 mm，壓頭尖端半徑為0.4 mm，可自由轉(zhuǎn)動(dòng)彎曲輥半徑為15 mm，彎曲輥間距為2a+0.5 mm，a 為板厚，板料與彎曲輥間無(wú)潤(rùn)滑，試驗(yàn)過(guò)程輸出壓頭與板料接觸載荷及壓頭下壓位移的曲線，并且假設(shè)載荷最大時(shí)發(fā)生斷裂，進(jìn)而求得對(duì)應(yīng)的極限尖冷彎角。
圖9 極限尖冷彎試驗(yàn)原理（VDA 238-100）［134］
國(guó)外研究指出：采用極限尖冷彎法所獲得的測(cè)試結(jié)果（極限冷彎角）與零部件的碰撞性能之間存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。因此，諸如寶馬、奔馳等車企多年來(lái)一直將極限冷彎性能測(cè)試法作為評(píng)價(jià)先進(jìn)高強(qiáng)鋼板材安全性能優(yōu)劣的一項(xiàng)有效的技術(shù)手段。根據(jù)此種行業(yè)發(fā)展情況，中國(guó)汽研馬鳴圖教授近年來(lái)指出，在極限尖冷彎測(cè)試過(guò)程中，樣品出現(xiàn)開(kāi)裂本質(zhì)上仍是加載部位的實(shí)際應(yīng)變值達(dá)到了材料對(duì)應(yīng)的極限斷裂應(yīng)變值（圖10），鑒于該測(cè)試過(guò)程中材料的應(yīng)力狀態(tài)與真實(shí)碰撞過(guò)程相似，如果能將該方法與其他檢測(cè)手段相結(jié)合，獲取鋼板的極限斷裂應(yīng)變值，并基于此建立斷裂準(zhǔn)則模型，則可大大簡(jiǎn)化現(xiàn)有主流斷裂準(zhǔn)則模型建立的工作量，無(wú)疑具有非常顯著的行業(yè)促進(jìn)意義。目前，國(guó)內(nèi)如中國(guó)汽研、同濟(jì)大學(xué)、東北大學(xué)、中信金屬、通用中國(guó)科學(xué)研究院等機(jī)構(gòu)均在致力于此項(xiàng)研究，相關(guān)研究工作涉及測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)化、極限斷裂應(yīng)變值的測(cè)試手段、極限斷裂應(yīng)變與板材厚度參量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系、基于極限斷裂應(yīng)變簡(jiǎn)單參量的斷裂準(zhǔn)則模型建立方式等。
圖10 冷彎過(guò)程中樣品不同部位的應(yīng)變變化［140］
綜上所述，試樣的設(shè)計(jì)是否合理，直接影響斷裂模型的精度。經(jīng)過(guò)多年探索可知未來(lái)的發(fā)展方向可能出現(xiàn)兩種情況，一種是講究精度，力求建立完善且最優(yōu)化的試樣體系，囊括所有應(yīng)力狀態(tài)；另一種是基于零部件碰撞服役工況分析，直接設(shè)計(jì)與之相匹配的試樣，并以此建立斷裂模型。不過(guò)，未來(lái)哪種模式會(huì)占據(jù)主流有待于各自的研究成果在工程實(shí)踐中的成效對(duì)比，以及誰(shuí)能真正滿足車企的技術(shù)發(fā)展需求。
7.2.3 數(shù)據(jù)處理
在一般材料試驗(yàn)機(jī)及杯突試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行斷裂性能測(cè)試，測(cè)得不同應(yīng)力狀態(tài)下試樣的斷裂極限應(yīng)變。此過(guò)程為建立斷裂準(zhǔn)則模型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于試樣結(jié)構(gòu)的特殊性，采用傳統(tǒng)的引伸計(jì)、應(yīng)變片等接觸測(cè)量方式均難以操作，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外行業(yè)主流發(fā)展趨勢(shì)是采用高精度非接觸式應(yīng)變測(cè)量方法和數(shù)字散斑相關(guān)法（Digital Image Correlation，DIC）。后者近年來(lái)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)普遍，是根據(jù)相應(yīng)的光學(xué)原理，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種載荷條件下材料或產(chǎn)品表面局部的細(xì)微形變行為，以及進(jìn)行高精度且無(wú)接觸式的測(cè)量。
綜上所述，當(dāng)前針對(duì)材料斷裂模型開(kāi)發(fā)的操作流程方法，在國(guó)內(nèi)外行業(yè)內(nèi)尚未形成真正意義上的共識(shí)，大量更加精細(xì)化的研究還在進(jìn)行中，試樣的結(jié)構(gòu)及數(shù)量的設(shè)計(jì)、測(cè)試方法的精度提升手段、相關(guān)模型的進(jìn)一步完善優(yōu)化等均亟待更加系統(tǒng)深入地去研究，科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化是未來(lái)這方面的發(fā)展目標(biāo)。
8、 結(jié)論及展望
隨著汽車輕量化行業(yè)的發(fā)展，為滿足減輕質(zhì)量和安全性保證兩方面的需求，各類先進(jìn)高強(qiáng)鋼板材在車身上的應(yīng)用正如火如荼。當(dāng)前，行業(yè)亟待提升各類汽車安全件的安全性能仿真精度，從而縮短零部件產(chǎn)品乃至車身輕量化和安全開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。仿真精度的提升是多方面因素優(yōu)化的結(jié)果。其中，材料斷裂本構(gòu)模型是最重要的影響因素之一。在汽車碰撞過(guò)程中，起決定性作用的是金屬結(jié)構(gòu)安全件，其動(dòng)態(tài)變形行為及斷裂行為表征，是獲得精準(zhǔn)仿真結(jié)果的必要條件。然而，目前業(yè)內(nèi)對(duì)于金屬材料的碰撞力學(xué)表征及模型建立仍然缺乏完備的認(rèn)識(shí)。本文根據(jù)汽車安全零部件材料在碰撞仿真過(guò)程中的變形響應(yīng)及失效特點(diǎn)，聚焦實(shí)際仿真過(guò)程中的材料模型建立及應(yīng)用過(guò)程，以汽車用金屬板材為對(duì)象，從力學(xué)性能及斷裂性能兩方面，對(duì)材料性能測(cè)試、本構(gòu)模型表征、斷裂模型建立等進(jìn)行了說(shuō)明，綜合、詳細(xì)地介紹了金屬材料斷裂模型的建立方法，為汽車碰撞安全性能開(kāi)發(fā)提供了參考。展望未來(lái)，在基于安全碰撞性能的高精度零部件仿真技術(shù)發(fā)展方面，將會(huì)在以下5 個(gè)方面繼續(xù)系統(tǒng)深入地研究相關(guān)基礎(chǔ)性和應(yīng)用性核心技術(shù)問(wèn)題。
1）更加緊密地將汽車安全件的碰撞性能與材料的斷裂性能研究結(jié)合起來(lái)，首先要經(jīng)過(guò)大量的數(shù)據(jù)積累，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度建立二者間的定性、定量關(guān)系，為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供方向性指導(dǎo)。其次要針對(duì)當(dāng)前主流及未來(lái)有應(yīng)用前景的各類先進(jìn)高強(qiáng)鋼板，系統(tǒng)研究其在不同加載模式下的形變和斷裂物理機(jī)制，定制化開(kāi)發(fā)出面向特定鋼種的斷裂準(zhǔn)則模型，從而提升基于多鋼種應(yīng)用的車身碰撞性能仿真精度。此外，當(dāng)前針對(duì)各種板材的斷裂性能研究，汽車行業(yè)基本不考慮板材本身的各向異性，因而對(duì)精度產(chǎn)生影響，而現(xiàn)行主流仿真軟件基本未考慮此因素，所以亟待系統(tǒng)地研究不同鋼板在考慮各向異性條件下、基于不同應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂性能，進(jìn)而建立模型，并在軟件中通過(guò)二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。
2）針對(duì)目前行業(yè)內(nèi)逐漸占據(jù)主流的基于應(yīng)力三軸度和洛德角的斷裂準(zhǔn)則模型來(lái)建立流程，未來(lái)應(yīng)著力將汽車碰撞宏觀力學(xué)行為與材料應(yīng)力狀態(tài)表征更加有機(jī)地關(guān)聯(lián)起來(lái)。當(dāng)前的技術(shù)流程涉及多結(jié)構(gòu)樣品的斷裂性能測(cè)試及仿真分析，典型結(jié)構(gòu)樣品大多還是具有拉、剪、沖孔等應(yīng)力狀態(tài)，從簡(jiǎn)單提高精度的角度考慮，如果未來(lái)在解決測(cè)試問(wèn)題的同時(shí)引入單軸、雙軸、平面壓縮等工況，則會(huì)進(jìn)一步提升仿真精度，但工作量太大，對(duì)車企而言，成本及周期依舊是個(gè)問(wèn)題。未來(lái)還可考慮嘗試設(shè)計(jì)一、兩種特定結(jié)構(gòu)樣品，即可全面、真實(shí)地表征汽車零部件在碰撞過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)，如果能基于此建立斷裂模型，并應(yīng)用于零部件的性能仿真過(guò)程中，則可在確保高仿真精度條件下，大大減少零部件安全開(kāi)發(fā)的工作量。當(dāng)前，VDA 238-100標(biāo)準(zhǔn)中所述有關(guān)面向汽車用高強(qiáng)鋼安全性能的測(cè)評(píng)方法，在中國(guó)汽車行業(yè)內(nèi)已獲得廣泛應(yīng)用，2020年由中國(guó)汽研牽頭制定發(fā)布了對(duì)應(yīng)的在該標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善優(yōu)化的國(guó)產(chǎn)化試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（T/CSAE 154—2020），未來(lái)可探索基于該方法的斷裂應(yīng)變測(cè)試方法，進(jìn)而提出相應(yīng)的斷裂準(zhǔn)則模型，應(yīng)是一個(gè)頗具潛力的發(fā)展方向。
3）應(yīng)致力于將現(xiàn)行主流的基于靜態(tài)測(cè)評(píng)和仿真得到的斷裂準(zhǔn)則模型拓展至動(dòng)態(tài)層面，才能進(jìn)一步提升仿真精度。當(dāng)前的斷裂準(zhǔn)則模型或未涉及應(yīng)變速率因子、或已涉及但精度低下，未來(lái)可著力在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上嘗試引入基于應(yīng)變速率敏感性等修正因子，或構(gòu)建新的考慮應(yīng)變速率的模型，當(dāng)然前提是要系統(tǒng)地研究不同的鋼種斷裂模式、應(yīng)力三軸度與應(yīng)變速率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。此外，對(duì)材料進(jìn)行從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)斷裂性能完整的測(cè)評(píng)，這雖然可以建立相應(yīng)的高精度碰撞斷裂模型，但工作量太大，可嘗試提出一種合理、可行的專屬于動(dòng)態(tài)斷裂準(zhǔn)則模型建立的應(yīng)變速率敏感性測(cè)試方法，并將其納入到現(xiàn)行斷裂準(zhǔn)則模型的建立流程中去，從而達(dá)到在提升模型精度條件下不顯著增加工作量的目的，滿足行業(yè)推廣需求。
4）在不斷完善現(xiàn)有金屬板材延性斷裂準(zhǔn)則模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡快建立面向汽車行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并在全行業(yè)內(nèi)推廣，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的推行，對(duì)現(xiàn)行斷裂準(zhǔn)則模型建立流程設(shè)計(jì)的樣品、流程、過(guò)程要求、數(shù)據(jù)處理、仿真分析等方面予以規(guī)范化、統(tǒng)一化，有利于提升各類汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼及其他輕量化零部件斷裂性能研究結(jié)果的互認(rèn)互通性，從而加速各類輕量化材料在車身上的應(yīng)用進(jìn)程。
5）行業(yè)應(yīng)加強(qiáng)在汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼板材斷裂方面的上下游產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)合作，將斷裂性能研究融入到先進(jìn)材料研發(fā)、車身安全設(shè)計(jì)、產(chǎn)品安全性能預(yù)報(bào)等全流程中，為不斷推進(jìn)各類先進(jìn)高強(qiáng)鋼板材在汽車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，奠定安全性應(yīng)用基礎(chǔ)。
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來(lái)源：期刊《汽車工程學(xué)報(bào)》
作者：馮毅， 萬(wàn)鑫銘， 周佳， 許偉， 高翔， 方剛， 余春麗， 張鈞萍， 申娟， 黃利， 于航
（中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）
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