CATARC材料數據庫

       CATARC材料數據庫是中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司（AERI）開發的基于LS-DYNA求解器的考慮應變率效應的材料數據庫，包括金屬，非金屬和鋁合金材料，主要應用于準確模擬碰撞分析中的材料性能。

材料數據庫的開發流程圖：

說明：

       材料產生變形時，受變形速度的影響很大，尤其是金屬材料和非金屬高分子材料等，當材料受到長時、短時、瞬時的外力作用時，其力學性能差別很大，這導致此類材料的常規力學性能已經不再適用。近年來隨著新技術新材料的開發與應用，各類材料再特定情況及環境下的力學性能研究，已經越來越受到科技人員的重視，并且隨著汽車被動安全性能的提升，基于結構耐撞性的CAE模擬技術已逐漸成熟完善，但在實際的整車碰撞中，車身材料在碰撞過程中為動態的變形過程，這就要求在CAE模擬中輸入材料的屬性應該為不同應變率下的應力-應變曲線特征值，因此能夠準確的測試出各種材料在不同應變率下的應力-應變曲線就顯得至關重要，基于此為了更加準確地進行整車碰撞過程的CAE數值模擬計算，得到更為準確的汽車結構安全設計方案，對汽車用各種金屬材料進行動態力學行為測試，并建立完整準確的材料動態力學性能數據庫是非常必要的。

1 材料動態曲線組的命名規則

材料牌號與厚度信息與材料數據庫中的ID號遵循一一對應關系，材料的ID號從1號開始逐漸遞增，說明書最后的附件一為材料牌號與ID號的詳細對照說明。

2 材料數據庫試驗方法簡介

本版本的材料動態力學性能數據庫采用日本鷺工的TS-2000型材料動態拉伸機，采用試樣兩端加持固定，運用液壓伺服加載方式，驅動落錘對材料試樣進行一維動態加載，在試樣的加載過程中，TS-2000型動態拉伸機會對材料拉伸做功造成的損失進行有效補償，使得材料試樣在拉伸過程中的速率保持相對恒定。

3 材料高速拉伸試樣尺寸說明

本版本材料動態力學數據庫的試驗試樣尺寸如下圖所示：動態樣片的加載平行段為6mm，寬度為2mm。

4 材料數據庫曲線中的應變率數值說明

根據汽車在實際碰撞中的速度，以及汽車用材料在碰撞過程中的變形行為，材料動態拉伸試驗選定六種應變率分別為：25/s、50/s、100/s、250/s、400/s、800/s，并基于此建立汽車用鋼的動態力學特征數據庫。為保證每個應變率下所采集得到的有效數據不小于3個，再適當考慮到板材各向異性，每種應變率下測量12-15個試件。

5 材料數據庫曲線中的單位制說明

本版本的材料數據庫中的曲線單位制為應力為MPa表示，應變為%表示，仿真分析中建議模型建模單位制采用kg，mm，ms制。

6 材料曲線適用網格尺寸范圍

   本版本材料數據庫適用的網格尺寸范圍為8-10mm。

7 動態曲線的數值處理過程案例

材料試件在經過準靜態拉伸與動態拉伸的過程中，其力學測試設備能夠測試記錄下來的是力-位移曲線圖，經過相關轉換可以把力-位移曲線圖轉變為名義應力-應變曲線圖，而在轉換中關鍵的是測定出原始拉伸樣品平行段的截面積，在本數據庫實驗中，我們采用在靜態拉伸試樣和動態拉伸試樣的平行段部分選取5處進行試樣的厚度和寬度測量，最終得其平均值作為試樣截面積的計算數據。名義應力-應變（即工程應力-應變）的轉換計算方法，對于準靜態拉伸試驗，其載荷值除以平行段的橫截面積值即為名義應力值，位移值除以初始標距段的長度即為名義應變值，通過上述計算方法可將力-位移曲線轉變為名義應力-應變曲線。對于動態拉伸試驗，其轉換方法與靜態試樣相同，只是在名義應變的轉換中，由于其試樣平行段的長度較短因此采用位移值除以其初始平行段的長度，作為轉換后得到的名義應變值。由動態拉伸機自動轉換得到的曲線為名義應力-應變曲線，而在實際的數值模擬計算中需要給定的為材料的真應力-應變曲線，根據下面的理論轉換公式可以將名義應力-應變曲線轉化為真應力-應變曲線，其中：為名義應力，為名義應變，為真應力，真應變。本版本材料數據庫的數值處理過程分為以下幾個方面：

7.1由力-位移曲線轉換為名義應力-應變曲線

7.2由名義應力-應變曲線轉換為真應力-應變曲線

7.3材料數據庫中動態曲線組屈服強度的選取

在LS-DYNA的MAT24號材料曲線輸入中，通常曲線的輸入起始點為該材料的屈服點，材料屈服點的選取會直接導致構件的初始變形力大小，對仿真模型的精度影響較大。

本數據庫的動態曲線屈服點的選取是基于實際測量得到的動態力學試驗數據，對于材料測試結果中有明顯上下屈服點的曲線特征材料，選取該曲線的下屈服點作為輸入材料的曲線起始點。

對于試驗測試曲線中，屈服點不明顯的材料曲線，材料曲線的屈服點選擇以應變為0.2%的點所對應的應力值表征為該曲線的屈服強度值。

7.4 LS-DYNA中MAT-24號材料卡片有效塑性段的截取

在LS-DYNA材料計算卡片中，針對MAT24號材料的曲線組輸入為有效塑性段，即從材料動態拉伸曲線的屈服點為數據的起始點，終止點為材料的抗拉強度點（拉伸曲線中的應力最大點），截取的范圍如下圖標示段所示。

7.5高應變率下的動態曲線平滑處理方法

材料在高速拉伸過程中，應變率越高會導致材料的動態曲線產生一定范圍的震動，導致力傳感器接收到信號時，記錄的數據也有一部分震動效應數據特征，這是任何實驗設備所不能避免的，在LS-DYNA計算中，MAT24號卡片要求數據為單調遞增型數據，因此要對實驗數據進行二次平滑濾波處理，本版本材料動態數據庫中的曲線平滑處理方法為FFT的高次濾波處理方法，FFT的高次濾波處理方法可以對沖擊載荷施加過程中產生的局部震蕩進行有效的中頻度濾波處理。采用本濾波方法后的，曲線濾波前后的數據處理圖如下圖所示。

7.6 LS-DYNA計算MAT24號材料曲線延長到1方法說明

在LS-DYNA進行碰撞仿真計算過程中，塑性變形體極易發生壓潰或彎折變形，在屈曲形變最大位置，其應變一般會達到0.8-1，而在實際的材料力學試驗中材料的斷裂應變一般小于0.25。一般將最大應變為0.25的曲線輸入到LS-DYNA中計算時，LS-DYNA會自動將曲線中的最后兩點擬合一個近似斜率常數k，將0.25以后的點以這個斜率常數k擬合一條直線后延到1。

本版本材料數據庫的曲線外延到1方法，是基于不同材料牌號的不同強化類型，基于此形成不同材料的本構方程，對不同牌號的曲線進行外延到1數據處理，外延到1處理后的曲線如下圖所示。

7.7 材料動態曲線數據組的建立

由上述步驟得到的不同應變率下的材料曲線組，將其輸入到LS-DYNA下的MAT-24號材料的一個TABLE下，形成如下圖所示的典型的四種特征的材料動態曲線組模式。 模式（a）對應超高強度鋼板的材料動態曲線組趨勢，模式（b）對應低合金與微合金系列鋼板的材料動態曲線組趨勢，模式（c）對應雙相鋼系列鋼板的材料動態曲線組趨勢，模式（d）對應DC系列深沖壓軟鋼系列的材料動態曲線組趨勢。

8 仿真標定與曲線修訂過程案例

本數據庫在進行測試實驗與后期數據處理后，根據材料高速試驗的測量原理進行有限元建模，通過仿真計算，分析試樣平行段的應變率與時間的不均勻性，以及應變率與平行段不同位置處的差異性，并通過后期的解耦技術分析，對試樣平行段的應力-應變曲線進行重新標定，修訂其所能表征的應變率值，使得形成仿真-實驗的閉環解析與數據驗證。

8.1 模型的定義

基于高速拉伸實驗的測試原理，數值仿真依據實驗原理進行建模，試樣的上下端加持位置分別設置為不變形的剛體。與動態試驗測試一致，試樣下端固定點為動態試驗的加載觸頭，試樣上端的固定觸頭為測力傳感器觸頭，仿真中的力輸出為上觸頭和試樣的界面接觸力（與動態試驗測試一致），仿真中位移的輸出為試樣下端觸頭的移動量（與動態試驗測試一致）。

8.2 模型的輸入條件

仿真模型的第一輸入條件為試驗測得的一組不同應變速率下的動態曲線組（如下圖所示）。

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       仿真模型的第二輸入條件為試驗測得的基于下端觸頭位移傳感器的位移-時間曲線（如下圖所示），將這條位移-時間曲線輸入到仿真模型中的試樣下固定觸頭移動端。

8.3 仿真結果解析

       首先，在試樣的平行段插入三個測力截面，輸入三個測力截面以及試樣上觸頭端的力-時間曲線，把他們放在同一坐標系下（如下圖所示）?？梢?，上觸頭的接觸力與試樣平行段的等分三截面力的在每一時刻的力值大小基本一致，只是上觸頭的接觸力由于其與試樣的 固定孔之間存在空隙，在高速接觸撞擊過程中，接觸力的震動較大，但平滑后的曲線數值與平行段三截面的力完全一致。上述力的分析說明，在高速試驗過程中，試樣上端的觸頭測力可以直接反應出平行段的受力情況，可以用觸頭力表征平行段的受力。

       其次，通過對高速拉伸試樣的平行段不同位置處的局部分析，對應變率-時間以及應變率-位置的不均勻性進行分析，并根據仿真分析結果進行應變率標定與解耦分析。

       最后，通過仿真分析計算出與實驗同樣位置采集到的力-位移曲線，使其達到仿真與實驗曲線貼合（如下圖所示），達到實驗與仿真結構的閉環模式。

9 材料數據庫的計算使用說明步驟

       1.本版本材料數據庫為單獨的K文件格式，用戶在使用時可以采用主文件包含*INCLUDE關鍵字形式，將材料數據庫K文件引入主文件進行計算，如下圖所示。

       2.將主文件提交給LS-DYNA 求解器進行計算，如下圖所示。

       3.提交成功后，LS-DYAN運算截面顯示如下圖所示，表示計算成功。

       附件一   材料數據庫中部分牌號對應ID號列表

鋁合金材料

       有關材料數據庫的咨詢和購買事項請聯系上海卓位信息技術有限公司：趙海歐, 電話：13816888516，Email：stephen.zhao@dynawe.com

金屬材料