力学仿真 | 塑性材料卡片仿真准确性提升方法分享

不同材料在不同环境条件下会展现出千变万化的形态与复杂多面的行为属性。汽车行业采用的材料丰富多样，从常见的塑料、金属到最近炙手可热的轻质高强复合材料。此外，汽车的结构与零部件复杂而精密，且应用在不同的部位，以多样的拓扑形状，因此所使用的材料也需要体现出完全不同的特性。

材料卡片是指包含了模拟仿真所需的所有材料性能数据的集成文件，可直接导入汽车研发时应用的仿真软件进行使用。获取可靠的材料卡信息能显著提高仿真结果的准确性。

国高材分析测试中心具备成熟的高分子材料材料卡片制作技术经验，可依照标准材料卡片制作流程，进行样品制备和相关性能测试，如在高低速应变率下，结合非接触式数字图像相关（DIC）测量方法，精准获取在拉伸、剪切及压缩等试验下的高分子材料参数，并依照常用的商业仿真软件格式来整合材料特性参数，保证这些材料特性参数可顺利应用于各类仿真软件，为仿真结果的准确性保驾护航。

国高材分析测试中心制作材料卡片涉及的材料特性参数与设备。

1 单轴拉伸试验

在碰撞仿真模拟当中，不同应变速率下的应力应变曲线至关重要。通过准静态拉伸试验可以获得屈服强度、断裂伸长率、弹性模量等关键参数。

泊松比是高分子材料的弹性常数，也被称为横向变形系数。在材料进入弹塑性变形阶段后，泊松比不再被视为常量，而是与应变相关的函数。为了获得泊松比随塑性应变曲线，需要将DIC输出的曲线与力学试验机输出的处理后的真实应力-真实塑性应变曲线相结合。这样可以得到准静态拉伸过程中泊松比随塑性应变曲线。

通过简单的准静态拉伸试验，可以观察到在不同应变速率下，高分子材料在屈服强度、弹性模量等参数上存在明显的差异。在高速变形情况下，这种差异将进一步放大。这是由于在材料的弹性阶段，除了分子内部键长和键角的变化外，还会发生其他次级转变运动，这些运动也会对弹性模量产生影响。随着应变率的增加，次级运动受到的约束越大，弹性模量也越大。

图1　PP材料的真实应力-真实应变曲线

图2　PC材料的真实应力-真实应变曲线

2 压缩试验

压缩试验是评估材料在受到压力作用时的抗压性能和变形特性的一种方法。通过在不同应力水平下的压缩试验，可以获取材料的屈服强度、压缩模量、压缩强度等关键参数。

压缩条件：试验速度1.3mm/min，应力数据采集频率每秒1个~4个，结合DIC技术进行应变检测，拍摄帧数最小60fps，视频储存是选择跳帧保存，以确保应力数据与应变数据间隔一致。压缩夹具未发生滑脱现象，拧紧时需使用标准要求的扭力。为了使应变数据更为准确合理，需要对不同失效（弯曲或分层破坏等）位置的试样选择舍弃。

3 剪切试验

剪切试验是评估材料在受到剪切力作用时的抗剪性能和变形特性的一种方法。通过在不同剪切速率下的剪切试验，可以获取材料的剪切模量、剪切强度等关键参数。

剪切条件：试验速度2mm/min，应力数据采集频率每秒1个~4个，结合DIC技术进行应变检测，拍摄帧数最小60fps，视频储存是选择跳帧保存，以确保应力数据与应变数据间隔一致。测试过程中夹具夹持力足够，试样无滑脱现象。

4 穿孔试验

穿孔试验是评估材料在受到高速冲击载荷作用时的抗冲击性能和吸能特性的一种方法。通过在不同冲击速度下的冲击试验，可以获取材料的韧性、吸能性能等关键参数。这些参数对于汽车结构设计、碰撞仿真和安全性能评估具有重要意义。

主要测试表征材料的破坏力与破坏位移，一般无需DIC技术配合测试。测试速度3mm/min，根据需求选取不同直径的压头测试，选择合适的预应力，并在压头末端处贴特氟龙胶带，以减小压头与试样的摩擦力。

总之，通过上述各种试验方法，可以全面评估材料在不同环境条件下的性能特性，为汽车结构设计和安全性能评估提供有力支持。国高材分析测试中心凭借其成熟的高分子材料材料卡片制作技术经验，可以为汽车行业提供准确、可靠的材料性能数据，助力汽车研发和安全性能的提升。