电子万能试验机测试DP1000钢的静态和动态力学性能
电子万能试验机测试DP1000钢的静态和动态力学性能
随着汽车轻量化的发展以及钢材和车身制造技术的进步，先进的高强度钢在车身上的应用已成为必然的选择。特别是对抗拉强度在1000 Mpa以上的超高DP钢在高应变率下的动态力学性能的研究更是少之又少。本文通过在SANS-CMT5105型微电脑控制电子万能试验机上进行的测试，详细研究了DP1000钢在不同应变率下的力学性能，并建立了修正的Johnson-Cook模型来描述其动态变形行为。
随着汽车轻量化的发展以及钢材和车身制造技术的进步，先进的高强度钢在车身上的应用已成为必然的选择。随着强度大于1000 Mpa的AHSS在汽车车身制造中的应用越来越广泛，对AHSS应用技术的要求也越来越高。尽管对高强度双相钢静态拉伸塑性失稳机理的研究很多，但对超高强度双相钢在高应变率下的变形行为和破坏机理的研究还缺乏系统性。特别是对抗拉强度在1000 Mpa以上的超高DP钢在高应变率下的动态力学性能的研究更是少之又少。
当汽车在行驶过程中发生碰撞时，同一部件的不同部件或不同部件会受到不同的碰撞速度，即它们具有不同的应变率。根据不同应变率对应的应力-应变曲线建立本构数学模型，动态模型能即时有效地补充实验数据，减少重复实验次数，量化变量参数之间的关系，满足汽车碰撞模拟的数据要求。
目前常用的本构模型分为两类，均考虑了温度和应变率的影响。第一类是纯唯象模型，如Johnson-Cook(JC)模型、Molinari-Ravichandran(MR)模型和Khan-Huang-Leung(KHL)模型；第二类是基于微观结构的物理模型，如Zerilli-Armstrong(ZA)模型、Steinberg-Guinan(SG)模型和Mecking-kock(MK)模型，从位错运动的角度解释了塑性变形机制，涉及到许多材料参数。不同本构模型的比较表明，J-C模型能最好地描述合金材料在不同应变率下的力学行为，在有限元软件中得到了广泛的应用。
Li[1]等人用微型计算机控制的电子万能试验机和高速拉伸试验机对DP1000钢的静态和动态力学性能进行了测试，试验机的应变速率为10-4~10-2 S-1，高速拉伸试验机的应变速率得到并分析了应变速率对应力-应变曲线和加工硬化率的影响。建立了修正的Johnson-Cook动态变形模型来描述动态变形行为。采用修正的Johnson-Cook动态模型(简称J-C模型)，通过试验和ABAQUS有限元模拟，确定了DP1000钢薄壁梁的动态压缩特性和吸能规律，预测值与实验值吻合较好。
准静态拉伸试验采用的是应变率为10-410-2 S-1，低应变速率试验的应变速率10-210-1 S-1。试验在SANS-CMT5105型微电脑控制电子万能试验机上进行。动态拉伸试验在德国兹维克的HTM16020型高速拉伸试验机上进行，应变率为10-1~10-3 S-1。图1显示了参照GB/T 228.1-2010和GB/T 30069.1-2013标准的拉伸试件的详细信息。
在动载试验中，选择了0.02 m/S、0.2 m/S、2 m/S、10 m/S和20 m/S 5种拉伸速度，对应的应变速率分别为10-4 S-1、10-3 S-1、10-2 S-1和10-1 S-1。动载试验选取了0.02 m/S、0.2 m/S、2 m/S、10 m/S和20m/S 5种拉伸速度，对应的应变速率分别为：100 S-1、101 S-1、102 S-1和103 S-1。采用邻域平均法对应力-应变曲线进行平滑处理。工程应力-应变曲线与实际应力-应变曲线之间的转换基于体积不变原理。
图1. 拉伸试件的细节。[1]
图2. 薄壁帽状结构试件。(a)实验；(b)ABAQUS模型。[1]
随着拉应变速率的增加，DP1000钢的屈服强度和抗拉强度单调增加，而均匀延伸率和断裂延伸率则是先增加后减小。应力-应变曲线对高应变率敏感，在准静态和低应变率下，应变率的强化作用不明显。在研究不同应变率下的力学行为的基础上，对应变率敏感因子进行了修正，建立了修正的Johnson-Cook模型来表征DP1000钢的动态变形行为。对DP1000薄壁钢梁的动力特性和吸能规律的研究表明，该钢梁具有较强的吸能能力。采用修正的Johnson-Cook动态模型，用ABAQUS有限元软件对实验行为进行了模拟，预测结果与实验结果吻合较好
[1] L. Hui, F. Rui, Dynamic deformation behavior and corresponding constitutive model of ultra-high strength DP1000 steel, Journal of Constructional Steel Research, 191 (2022) 107188。