热成型钢断裂失效仿真预测

随着汽车轻量化及碰撞安全防护要求的不断提升，热成型钢在汽车上的应用日益增多。作为车身轻量化的先行者，奥迪第十款ASF（Audi Space Frame）车身结构，即全新一代奥迪A8（D5）已经从之前的“全铝车身”转变为“钢铝混合”车身，其中钢材的应用几乎均为热成型钢。在D4中热成型钢仅应用在B柱位置，在D5中应用范围扩展到了A柱、门槛梁以及前雪橇板。

热成型钢

1.是将钢板经过950⁰C的高温加热之后一次成型，然后迅速冷却从而全面提升钢板强度。

2.一般高强钢的屈服强度在400-450MPa左右，经过热成型工艺后屈服强度可提高至1100 MPa以上，抗拉强度可达1300-1650MPa。

3.但这种特殊的淬火硬化工艺使得热成型钢的塑性延展性显著降低，开裂风险增高。

作为乘员舱笼型结构的重要组成部分，热成型钢的断裂会造成结构不稳定和乘员安全风险。为了在车型开发早期的CAE分析中，准确识别热成型钢的断裂风险，及时进行结构优化，其断裂失效行为表征与仿真技术成为我们亟待解决的课题。

金属材料断裂失效机理可分为正向断裂和剪切断裂两种：

1.正向断裂是金属变形过程中内部孔洞的形成并联结导致的，其断口形貌较为粗糙。

2.剪切断裂是由于剪切带滑移引起的，其断口形貌较为光滑。

因此，可以通过观察断口形貌特征将断裂失效归类于以上两种机理。

需要注意的是颈缩的发生使得材料的变形集中在一个小区域，如果是板材，这个区域的范围通常与板厚相当。在汽车相关的仿真分析中，大多会使用壳单元，壳单元的边长通常为厚度的3-10倍，通过壳单元的结点位移得到的变形会远小于颈缩区域的变形，所以壳单元无法描述颈缩现象。因此如果使用壳单元，颈缩失稳需作为一个失效判据引入到断裂失效判别中。

另一方面，金属的断裂失效特性与应力状态、应变率、各向异性相关，并不是我们通常简单理解的断裂延伸率。定义单一失效应变的模型（如LS-DYNA MAT24）往往会导致错误的断裂失效预测结果。单向拉伸、双向拉伸、压缩、剪切等即为不同的应力状态，在不同的应力状态下材料的失效应变是不同的。因此材料的断裂失效特性应该用曲线来描述，而非一个失效应变值，这种曲线称为断裂极限曲线（如下图），横坐标为应力状态，通常可以用应力三轴度η、主应变率比α来描述，纵坐标为失效应变。