轨道车辆材料力学性能测试

李本怀,陈秉智

(1.中国北车集团 长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062；2.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)

轨道车辆材料力学性能测试

李本怀1,陈秉智2

(1.中国北车集团 长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062；2.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)

介绍轨道车辆应用金属材料的静态及动态力学性能的测试，分别介绍材料的准静态测试、不同应变率下材料的动态性能曲线测试方法，并阐述基于LS-DYNA软件材料本构模型的建立方法及材料的应变率效应.

轨道车辆金属材料；应变率效应；材料本构模型

0 引言

目前为满足车辆碰撞吸能仿真分析并实现车辆结构吸能优化设计，仿真分析是必不可少的研发手段，获得结构材料在不同应变率下的材料特性，即进行材料动态本构关系研究也十分必要.复杂结构塑形动力学响应数值计算结果的可靠性，在很大程度上取决于本构关系对材料的动态特性的真实反映.

1 实验方法

采用拉伸SHPB试验装置测试材料的高应变率动态拉伸力学性能.动态拉伸试验系统由锤头、撞块、入射波产生件、输入件、输出件、试件、应变片、应变测量装置、波形存储装置及计算机等组成[1- 2].在试验过程中，位于旋转盘上的锤头与撞块撞击，使入射波金属杆发生塑性变形直到断裂[3].输入杆的拉伸应力波传到试件后，对试件进行动态拉伸加载，同时，应力波发生发射和投射.输入杆和输出杆上的入射波、发射波和透射波信号由粘贴在输入(出)杆上的应变片测试获得[4].基于一维应力波理论，由导杆上的测试结果计算获得试件的动态拉伸应力-应变曲线.动态拉伸试验装置按照国家军用标准《金属材料室温动态拉伸试验方法》进行.

动态拉伸试验是通过应力波对试件进行加载，是一个瞬态过程，整个加载过程在不到1 ms的时间内完成.试验需要动态应变仪对信号进行放大，通过高采样率的数据采集设备将信号传输到计算机，之后，运用专用的数据处理程序完成对数据的分析处理来获取材料的动态拉伸力学性能.动态拉伸试验主要目的是研究材料力学性能的应变率效应，因而需要开展多个应变率的试验[5].同时，考虑材料性能可能的分散性，以及动态试验中瞬态过程中具有的不确定性和不可控性，每种应变率的试验数量均要多开展一些.

2 实验测试及结果讨论

2.1 实验内容

试验样块中对厚度小于10 mm的板材采用扁平哑铃状试件实施测试；对于厚度大于等于10 mm的材料采用圆柱哑铃状试件开展测试，具体样块如图1所示.

(a)扁平哑铃状(b)圆柱哑铃状

图1 试件示意图

通过对试验机的加载速度和入射波产生的控制，实现对试件材料在应变率为102～103量级下3个应变率水平(350、750、1 100 s-1左右)的动态拉伸试验.每种规格材料在各应变率水平下保证至少有5个有效试验数据.试验结果包括试样的动态拉伸(塑性)应力-应变曲线及平均塑形应变率、动态屈服强度等，在确认试验是一次加载断裂时，同时提供试件材料的动态拉伸强度、延伸率和断面收缩率.

2.2 典型材料实验结果

针对06Cr19Ni10、SUS301L-ST、S500MC等几种典型轨道车辆结构材料进行材料性能测试，测试结果如图2 ～图4所示.

(a)350 s-1(b)750 s-1(c)1 100 s-1

图2 06Cr19Ni10三种应变率下的应力—应变曲线

(a)350 s-1(b)750 s-1(c)1 100 s-1

图3 SUS301L-ST三种应变率下的应力—应变曲线

(a)350 s-1(b)750 s-1(c)1 100 s-1

图4 S500MC三种应变率下的应力—应变曲线

2.3 材料性能参数化

2.3.1 轨道车辆材料本构模型

由于材料的组织结构区别，其应变率的敏感程度和热软化敏感程度有较大差异，找到一个描述所有材料对冲击载荷的动态响应的本构模型来是不可能的[3].因此，在数值模拟和工程应用时，根据特定的条件对指定的材料进行研究，同时借助已有的本构模型，结合试验数据进行修改，寻找描述特定材料和特定条件下的本构模型.

2.3.2 轨道车辆材料参数化

在轨道客车安全性分析数值模拟较多采用不考虑温度效应的分段线性塑形模型(对应DYNA材料库24号材料).本节主要针对分段线性塑性MAT_024材料模型，结合材料力学性能的试验结果，阐述模型参数拟合和获取过程.

(1)MAT_024材料参量

MAT_024模型可以考虑应变率和应变对流动应力的影响，其中应变率效应采用Cowper-Symonds关系描述，应变强化采用分段线性方法表示[6].该模型可以给出两种形式的动态流动应力关系：

(1)

(2)

式中：σd为动态流动应力；σy0为静态屈服应力；C，P为Cowper-Symonds模型参量；σy(εp)为静态流动应力[7].

试验分为静态试验和动态试验，静态试验可获得材料的基本性能数据，包含弹性模量、屈服应力、塑形应力应变曲线等；动态和静态试验相结合获得材料的应变率效应.

(2)MAT_024模型的塑性参量获取

静态试验曲线包含了试验的全过程测试结果，即弹性段、屈服段、塑性强化段和最后的试件颈缩破坏[8].在塑性参量的转化过程中需要减去弹性段的应变，去除拉伸强度点以后的部分[9].在LS-DYNA中用的是真实应力和对数应变，在求塑性强化模量、塑性参量曲线和列表数据时需要进行相应的转化.下面以Q690材料的试验结果为例，对参数化过程进行说明.

数据平均：由于每种材料的静态拉伸试验进行了3次，在数据处理中需要取其平均值.图5为3次静态试验结果曲线，采用曲线平均的方法获得材料的性能曲线.

图5 Q690材料应力-应力曲线

获取真实应力—自然对数应变曲线：减去曲线的弹性段，采用如下公式将应力—应变曲线转化为真实应力—自然对数应变曲线，如图6所示.

图6 真实应力—自然对数应变曲线图

(3)

(4)

式中:εp是材料的塑性应变，通过将材料的应力—应变曲线的塑性段去除材料屈服点的应变获取.

(3)材料应变率效应参量的获取

在LS-DYNA的MAT_024材料模型中，应变率效应通过Cowper-Symonds关系表征:

根据材料屈服应力随应变率的变化，用最小二乘拟合即可获得参量C和P.材料可以分为应变率效应无关材料和应变率效应相关材料[10].在参数拟合前，首先需要结合静动态试验对比，确定有无应变率效应(大部分铝材和部分钢材没有应变率效应).若无，则为应变率效应无关材料，此时则用静态材料性能数据就可以表征材料性能，如图7为材料EN-AW6082-T6不同应变率下的应力—应变曲线，其可认为是应变率无关的材料，不必输入C和P.

图7 不同应变率下AW6082-T6铝合金静动态曲线比较

应变率效应相关材料[11].通过静、动态试验结果比较，若存在应变率效应，选取屈服点通过最小二乘拟合求得参量(动态曲线取过冲后的低点为屈服点).图8为SUS301L-DLT和Q235材料的静动态曲线比较，其中各曲线均采用了上面提到的曲线平均处理.图9是通过Origin拟合的曲线，相应的Cowper-Symonds参量分别为C=5 340s-1，P=1.83(SUS301L-DLT)和C=2 480s-1，P=3.84(Q235).

(a)SUS301L-DLT

(b)Q235

(a)SUS301L-DLT

(b)Q235

3 结论

(1)轨道车辆材料分应变率效应相关材料和应变率效应无关材料，如EN-AW6082-T6，Q690为应变率效应无关材料，SUS301L-DLT和Q235相关材料；

(2)为了保证材料的吸能稳定性，吸能区、压溃管等吸能结构设计上建议采用应变率无关材料.

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Study of Mechanical Properties Test of Material Applied in Railway Vehicle

LI Benhuai1,CHEN Bingzhi2

(1.CNR Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd,Changchun 130062，China；2.School of Traffic and Transportation Engineering，Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Static and dynamic mechanical properties test were carried out for metallic materials of railway vehicle.Methods of quasi-static test and dynamic performance with different strain rate are introduced.In addition,a method based on LS-DYNA in building constitutive model and strain-rate effect were expounded.

metal material of railway vehicle;strain-rate effect;constitutive model

1673- 9590(2015)01- 0029- 05

2014- 06- 29

李本怀(1978-),男，工程师,硕士，主要从事仿真分析的研究

E-mail:lbh@163.com.

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