车用材料动态加载载荷测量技术研究进展_邢伯斌.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 4 期 2023 年 4 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.4 Apr.2023 收稿日期:2023-02-14 作者简介:邢伯斌（1991），男，北京，博士，工程师，主要从事车用储能系统碰撞安全研究，。通信作者：夏勇（1976），男，安徽淮南，博士，副研究员，主要从事车用材料力学性能表征和车用储能系统碰撞安全研究，。引文格式:邢伯斌，夏勇，应鹏飞.车用材料动态加载载荷测量技术研究进展J.实验技术与管理,2023,40(4):1-19.Cite this article:XING B B,XIA Y,YING P F.Research progress of dynamic load measurement technology for materials used in vehicleJ.Experimental Technology and Management,2023,40(4):1-19.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.04.001 特约专栏动态载荷测量技术研究进展 编者按：汽车行业是全球温室气体排放的主要领域之一，减少汽车行业碳排放，是实现“碳达峰”和“碳中和”目标的重要一环。汽车轻量化是实现汽车产业节能减排的关键，本期特邀清华大学车辆与运载学院汽车安全与节能国家重点实验室夏勇老师团队，基于新型车身材料的碰撞安全分析，详细概述了几类车用材料动态载荷测量技术，随着汽车轻量化设计的进一步发展，该技术可应用于更多场景。车用材料动态加载载荷测量技术研究进展 邢伯斌，夏 勇，应鹏飞（清华大学 车辆与运载学院 汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084）摘 要：汽车轻量化是汽车产业实现节能减排的关键任务，新型车身材料的广泛使用在有效降低车身质量的同时，对汽车碰撞安全分析提出了更高的挑战。车用材料在典型碰撞工况下其应变率覆盖从准静态到 1 000 s1范围，然而中应变率加载过程诱发振铃效应掩盖了车身材料的真实力学响应。本文依次介绍无激振系统设计、中高应变率杆式系统和单一模态响应的三类传感器技术原理和应用。关键词：动态测试；应变率；力测量；振铃效应 中图分类号：TH823 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)04-0001-19 Research progress of dynamic load measurement technology for materials used in vehicle XING Bobin,XIA Yong,YING Pengfei(State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,School of Vehicle and Mobility,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract:To achieve energy saving and emission reduction targets,the automotive industry has been focusing on vehicle light-weighting.Wide applications of novel materials for body-in-white(BIW)structures effectively reduce net weight of car body,and it also poses great challenges to crash safety of vehicles.The vehicle materials under typical crash scenarios cover a broad strain rate range from quasi-static to 1 000 s1.Ringing effect in force signals under intermediate strain rate loading causes corruption of actual force responses of the materials used in BIW.This paper presents novel force measurement methods and applications namely oscillation-free compact force sensor,medium-high strain rate bar type force sensor and single-model method force sensor.Key words:dynamic loading;strain rate;force measurement;ringing effect 1 车身材料碰撞冲击载荷测量方法“碳达峰”和“碳中和”双碳目标驱动汽车产业以降碳减排为核心发展。汽车轻量化能够有效地降低排放并节省能源。汽车质量每减少 100 kg 可实现每百千米节油 0.35 L、二氧化碳排放减少 840 g1。各种超高强钢材料、轻质金属材料以及非金属材料的应用，在确保车身结构刚度、强度、抗撞性以及噪声、振动与声振粗糙度（NVH）性能的前提下，不但能够减轻车身质量，也能控制制造成本。然而新型车身材料的使用对汽车碰撞安全分析设计带来许多新的技术难题。在汽车的典型碰撞工况中，材料应变率2 实 验 技 术 与 管 理 覆盖了从准静态到 1 000 s1的范围2-3。由于不同车身材料的结构响应和断裂行为对应变率的敏感程度不 同，准确获取目标应变率范围内车身材料的力学响应成为汽车碰撞安全领域的主要研究目标。汽车碰撞安全的仿真分析中对材料的表征提出 3 项关键要求：充分认识车身材料的静、动态力学行为差异；具备可靠的材料动态测试数据和性能参数；确定合理表征应变率相关性的材料模型。图 1 展示了目前车用材料力学性能测试所需要的测量技术和主要问题。在车身材料的准静态、低应变率到高应变率试验中，被测试件的变形（应变）通过基于数字图像相关（digital image correlation，DIC）等技术的非接触方法进行测量。该方法易于操作、受测试对象和环境约束较小，根据不同应变率下的有效试验时间选择具有合适采样率和分辨率的图像采集设备及光源条件等。采集图像可通过分段处理拼接的方案实现材料大变形过程应变计算的需求。另一方面，瞬态变形过程中动态力响应的测量是材料动态力学行为测试中更为突出的技术难点。已知应变率无关的LZ12CZ 铝合金在静态和动态拉伸测试得到的载荷理论上应相同。一般由于准静态试验加载速度较低，系统各部分加速度以及系统振动较小，惯性力较小，且商业力传感器有足够的响应时间，因而所测量的载荷具有较好的可靠性。而在中应变率范围内（0.1 1 000 s1），商用力传感器测得的信号往往伴随显著振荡，若不加以处理，将会得到“非真实”的应力-应变曲线。这一现象被称为振铃效应（ringing effect），其本质上是因为力信号的振荡会掩盖材料真实的力学响应，从而无法准确获得中高应变率范围内材料的力学特性。图 1 车用材料力学性能测试的测量技术和主要问题 不同应变率范围下的力学测试需要借助相应实验平台开展，如图 2 所示。准静态测试（应变率小于0.1 s1）一般使用万能试验机，载荷数据由试验机配备的商业力传感器获取，变形数据由接触式引伸计或非接触光学测量仪器获取。Hopkinson 杆多用于高应变率测试（应变率大于 1 000 s1），直接采用一维应力波理论，通过在入射杆和投射杆采集到的应力波信号直接获得材料的载荷和变形历程4。在 0.11 000 s1的中应变率范围内载荷源一般采用高速液压试验机5、落锤试验台6等设备，另外也有部分研究者采用飞轮加载系统7、膨胀环8等。商业高速试验机配备的力传感器（电阻应变传感器或石英压电传感器）和夹具组合仅能用于 50 s1以下的动态载荷测量。对于更高应变率下的试验测试，商用传感器得到的载荷信号产生明 图 2 不同应变率范围下材料的测试平台 显的振荡，掩盖了材料的真实力学响应。消除激振效应的载荷测试技术主要可分为借助准静态变形无激振假设和一维应力波理论杆型测量方 邢伯斌，等：车用材料动态加载载荷测量技术研究进展 3 法。对于无激振传感器方法而言，基本假设是被测结构（包括夹具和测量系统等）均处于准静态状态，不出现结构尺度的大幅激振。测量方法主要是基于测量结构上作用载荷与结构变形的准静态弹性关系，采用应变片或者压电陶瓷进行传感器结构的应变测量，并通过线性转换关系得到载荷。对于杆型测力方法，主要是基于一维应力波理论构建，可以认为试件内力造成测量杆件的尾端载荷输入，产生的应力波信号被测量杆上的应变片捕捉，获得材料内力以及应变历史。本团队长期开展各种车身材料中应变率范围下的载荷测量技术研究，针对无激振和杆式动态载荷测量方法具有丰富的研究经验。本文首先针对新型动态加载载荷测量技术，结合二阶质量-弹簧-阻尼系统介绍动态测试中载荷振荡现象的产生机理；随后介绍中低应变率范围内（0.1200 s1）准静态变形无激振假设的轻质载荷传感器系统设计准则和应用，以及中高应变率范围内（2001 000 s1）基于落锤试验台的满足一维应力波理论的杆型载荷测量系统；最后提出考虑并量化了结构振动响应，满足更宽应变率应用范围的单一模态动态载荷传感器设计和应用案例。2 动态测试载荷信号振荡机理 2.1 动态测试载荷测量问题 商业力传感器在中应变率加载测试中伴随着显著的信号振荡，其载荷信号的振荡主要有 3 个来源：系统惯性、载荷测量系统中应力波的传播和电信号自身抖动。一般来说，力传感器的测量值为试件上的真实力与载荷测量系统惯性力的总和。加载过程中，试验装置静端的加速度远小于动端的加速度，通过减小试件与力传感器间的夹具质量并将力传感器布置于试验装置的静端，可以降低惯性力的影响。另一方面，冲击载荷加载后在测试系统中产生应力波，经端部反射后在试件内部往复传播，若在试验时间内应力波往复传播的次数过少，则试件无法达到应力平衡的状态，从而使载荷信号产生振荡。为了达到应力平衡状态，材料进入屈服段前，应力波至少应在试件中往复传播10 次。对于常见的金属材料，波速传播较快，合理的设计试件的尺寸基本能满足上述要求，故应力波传播所造成的影响一般可以忽略不计。图 3 为准静态力学试验机力测量示意图，根据牛顿第二定律试件实际测量力 Fspecimen与传感器响应结果 Floadcell满足式（1）：loadcellspecimenfixturefixtureFFma=+（1）其中 mfixture和 afixture分别表示动端夹具质量和加速度。准静态加载由于加载速度低、持续时间长，试验 图 3 准静态力学试验机力测量示意图 机动端处于较低的加速度水平，惯性力效应基本忽略不计。动态力学试验中高速加载，各质量环节的加速度难以忽略，再加上冲击、振动等因素的影响，测量得到的加速度信号振荡剧烈，甚至严重失真。同时，载荷测量位置也会对结果造成较大差异。2.2 动态测试中载荷振荡现象的产生机理 载荷振荡最主要的来源是测量系统自身的共振。以清华大学汽车安全与节能国家重点实验室自主设计开发的中应变率液压试验机系统为例，其载荷测量系统可近似简化为二阶质量-弹簧-阻尼系统9-11，如图 4所示。材料真实力学响应作为系统的输入，力传感器上测得的载荷信号为二阶质量-弹簧-阻尼系统的输出。图中 real()为材料真实响应，measure()为材料测量响应，F(t)为系统在输入信号作用下从初始状态到稳定状态的响应过程，用以下运动学方程表示：20002d()d()()()ddxtxtmckxtF tt