CN102628766A - 一种汽车车身冲压钢板材料特性参数的反求方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车车身冲压钢板材料特性参数的反求方法，其特征在于包括步骤1对车身冲压成型钢板进行区域划分；步骤2在冲压成型钢板表面布置测试点；步骤3对冲压成型钢板进行拉伸试验；步骤4建立冲压成型钢板拉伸试验的正问题仿真模型；步骤5、对原材料的应力应变曲线进行研究，将反求材料强化系数K和硬化指数n转化为反求中间参数ε_p和ΔK；步骤6通过比较试验响应数据与仿真响应数据形成目标函数，从而构成反问题模型；步骤7对反问题模型进行优化，求得各分区的材料参数K和n。本发明提出了分区标定的方法描述冲压成型后的车身钢板，可对多个区域同时进行试验测试，仅需少量的试验便能得到冲压钢板各分区的所有材料参数。

Description

一种汽车车身冲压钢板材料特性参数的反求方法

技术领域

本发明涉及材料测试技术领域，具体而言，涉及一种汽车车身冲压钢板材料特性参数的反求方法。 

背景技术

对汽车车身进行准确的力学分析，必须基于准确的材料力学特性参数。车身覆盖件成型加工普遍应用冲压工艺，冲压件表面形状复杂，变形部位的力学特性同变形前相比产生很大变化，且不同部位由于变形程度的不同其材料特性也有较大差异，因此用原材料的力学特性参数进行分析会产生误差，需要对冲压成型后钢板的材料参数进行重新测定。 

目前车身冲压钢板材料特性参数的测定通常是由试验方法测得，其中最常用的是单向拉伸试验。试验方法需要制作标准试件，且试验过程中试样大都会受到破坏，属于破坏性试验。对于汽车车身钢板来说，一方面由于形状不规则难以取样制作标准试件，导致拉伸试验难以有效应用；另一方面，由于车身冲压钢板不同部位的材料参数不一样，要得到较为准确的材料参数必须对车身冲压钢板的所有变形区域逐一取样进行拉伸试验，这必然会增加经济成本和时间成本。在这种情况下，研究一种适应性更广泛的新方法作为拉伸试验方法的有效补充是非常必要的。 

所有已公开的关于材料参数测试方面的专利，包括申请号为：CN201010574245.7，发明名称为“热电材料参数自动测定仪”、申请号为：CN201010548466.7，发明名称为“多孔固体材料物理参数测定仪和方法”、申请号为：201020290453.X，发明名称为金属材料高温参数测定实验装置、申请号为：CN200910312967.2，发明名称为“导热绝缘材料多功能性能参数测试装置及其设计方法”、申请号为：CN200910164413.2，发明名称为“人工电磁材料电磁参数测量的神经网络方法”、申请号为：CN200910164412.8，发明名称为“基于支持向量机(SVM)的人工电磁材料电磁参数提取方法”、申请号为：CN200910066413.9，发明名称为“冻融 循环下路基材料力学参数测试试验机”、申请号为：CN200810197844.4，发明名称为“建筑围护结构材料热工参数测试装置”、申请号为：CN200710120713.1，发明名称为“磁致伸缩材料动态参数测试系统”、申请号为：CN200720141301.1，发明名称为“一种导热材料参数测试装置”、申请号为：CN200710017229.6，发明名称为“一种聚合物绝缘材料陷阱参数测量方法及系统”、申请号为：CN200610150991.7，发明名称为“中高频下粘弹性材料声学参数测量方法”等，虽然种类较多，但车身冲压钢板材料特性参数测定方面的相关专利目前还未有公开。 

本发明主要针对以往试验测试过程中的困难与不足，创新性地从计算反求技术出发，提出一种分区标定、识别钢板材料参数的方法作为试验测试方法的补充，能够满足冲压钢板材料参数测试的需要。 

发明内容

本发明针对车身钢板材料参数测定过程中的困难，结合有限元技术和优化技术，提出了一种获取车身钢板材料参数的新方法。反求时采用分区标定识别方法，体现出冲压成型钢板塑性变形的不均匀性，与实际情况更为接近。直接应用表面不规则冲压件的试验数据进行计算，不受试样形式的约束，试验次数少、成本低、适用范围较广。 

本发明的技术方案是提供一种汽车车身冲压钢板材料特性参数的反求方法，其特征在于包括如下步骤： 

步骤1、对车身冲压成型钢板进行区域划分，根据冲压件的空间形状、冲压加工工艺特点和冲压变形程度进行初步判断，然后进行有限元仿真进一步确认分区方式； 

步骤2、根据区域划分情况在冲压成型钢板表面布置测试点，车身钢板所有分区在外载作用下的弹塑性变形情况能够通过测试点的结构响应体现出来； 

步骤3、对冲压成型钢板进行拉伸试验，记录表面测试点的结构响应作为试验响应输出； 

步骤4、建立冲压成型钢板拉伸试验的正问题仿真模型，在模型中施加与试验环境相同的外载与边界条件，输出测试点的结构响应作为仿真响应输出，模型中通过指数硬化模型对材料的真实应力应变关系进行描述，需要反求的参数为强化系数K和硬化指数n； 

步骤5、对原材料的应力应变曲线进行研究，根据卸载规律推测强化系数K和硬化指数n，得到以原材料的塑性应变ε_p为自变量的材料参数变化趋势方程K(ε_p)和n(ε_p)；由于实际情况与理论推测存在误差，引入调整参数ΔK，当原材料的塑性应变为ε_p时对应的材料参数修正为K(ε_p)+ΔK和n(ε_p)，从而将反求材料强化系数K和硬化指数n转化为反求中间参数ε_p和ΔK； 

步骤6、通过比较试验响应数据与仿真响应数据形成目标函数，从而构成反问题模型； 

步骤7、选取合适的优化方法对反问题模型进行优化，使之达到最小，取反问题模型最小时各分区的中间参数ε_p与ΔK，经转化得到各分区的材料参数K和n，即为真实材料参数。 

进一步地、在步骤4中，正问题仿真模型是车身钢板材料特性参数与结构响应输出之间的映射关系，其中：材料的真实应力应变关系通过下式的指数硬化模型进行描述： 

σ_true＝Kε_true ⁿ＝K(ε₀+ε_p)ⁿ

${\mathrm{\ϵ}}_0={({\mathrm{\σ}}_0/K)}^{\frac{1}{n}}$

K为强化系数；ε₀为弹性真应变；ε_p为塑性真应变；n为硬化指数；σ₀为初始屈服极限。 

进一步地、在步骤6中，反问题模型即优化模型，将常规的最小二乘方程式模型作为反问题模型，具体定义方法如下： 

$\mathrm{\ψ}\left(P\right)=\underset{j=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N_p}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{u_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{sim}}\left(P\right)-u_{\mathrm{ij}}^{\exp }}{u_{\mathrm{ij}}^{\exp }}\right)}^2$

其中，P为待求材料参数向量；N_t为外载荷总数；N_p为测试点总数； 

为在j载荷作用下i测试点的有限元仿真响应值； 

为在j载荷作用下i测试点的试验测试响应值。 

本发明的有益效果是： 

(1)在单向拉伸试验方法中假设材料在整个试验过程中均匀变形，而实际试验中材料在到达抗拉极限之后会发生局部变形产生颈缩，这便导致了一定的理论误差。本发明是一种基于计算反求技术的材料参数测定方法，对材料的变形方式没有要求，避免了这类误差的产生。 

(2)本发明是通过仿真数据对实验数据的逼近来实现的，而有限元法 可以方便地计算任意形状试件的仿真响应数据，所以相应的试验过程对试样的形状也没有特殊要求，试样可以为非标准试件，适用范围更广。 

(3)冲压过程中钢板的不同部位由于变形程度的不同其材料特性也存在差异，应用传统的试验方法需要对各个区域分别取样进行测试，试验次数多。本发明提出了分区标定的方法描述冲压成型后的车身钢板，可对多个区域同时进行试验测试，仅需少量的试验便能得到冲压钢板各分区的所有材料参数。 

(4)本发明并不直接反求材料参数，而是引入中间参数间接求得材料参数。中间参数的存在有效的缩小了优化过程的搜索空间，提高了优化效率。 

附图说明

图1是某汽车地板横梁冲压件示意图； 

图2是冲压成型钢板材料参数的反求方法的流程图； 

图3是卸载规律示意图； 

图4是强化系数-硬化指数曲线图； 

图5示出截取某车身冲压钢板所得试样S1； 

图6是图5所示试样S1冲压成型仿真图； 

图7示出图5所示试样S1冲压成型仿真结果； 

图8示出图5所示试样S1分区及测试点布置； 

图9示出图5所示试样S1有限元模型。 

具体实施方式

下面结合附图1-9对本发明的具体实施方式进行详细说明。 

钢板在塑性变形以后，其力学特性会发生改变。如图1所示的某汽车地板横梁冲压件，根据形貌特征可大致分为平面1、弧状斜面2、平斜面3和带孔平面4，这些面在冲压时发生了不同程度的塑性变形，其材料参数相较于变形前材料参数的改变程度也不同。为了表征冲压过程中变形因素对材料力学特性的影响，本发明对冲压件进行分区，每个分区分别标定一组待测材料参数。图1中的地板横梁冲压件大致可分为图中所示的4个区域。在反求过程中同时识别所有分区的全部待测参数，使正问题仿真所得的测试点结构响应值逐步逼近相应试验测试值，最终根据最小二乘原理使二者的差异达到最小，从而获得所需的材料特性，即为分区标定识别方法。 

冲压成型钢板材料参数反求的流程图如图2所示，其性能参数的反求方法具体步骤如下： 

步骤1、对车身冲压成型钢板进行区域划分，根据冲压件的空间形状、冲压加工工艺特点和冲压变形程度进行初步判断，然后进行有限元仿真进一步确认分区方式。 

钢板分区可以参考以下标准进行：覆盖件的空间形状是明显的分区标志，一般将覆盖件表面弯折处的棱线作为分区边界；根据冲压加工工艺的力学特点进行定性分析，不同的冲压工艺通常使板料处于不同的应力应变状态，可以根据冲压过程中各工序的作用区域进行划分；相同的冲压工艺也有变形程度的不同，应予以区分，这从拉伸时深浅的不同、胀形时起伏高低的差异等形貌特点可以做出判断；有限元分析是很好的辅助判断方法，借助有限元仿真软件对板料的冲压成型过程进行模拟，根据仿真计算结果中的应力应变分布情况进一步确认分区方式。 

步骤2、根据区域划分情况在冲压成型钢板表面布置测试点，车身钢板所有分区在外载作用下的弹塑性变形情况能够通过测试点的结构响应体现出来。 

测试点数量越多对冲压钢板的变形情况描述越精确，但为了降低试验过程中对测试点结构响应进行数据采集时的工作量，应在满足反求需要的情况下尽可能地减少测试点的数量。一般来说，测试点的数量应与待反求参数的数量相近，在待测试样形状十分简单的情况下，测试点数目可以在此基础上适当减少。此外，各区域测试点的数目应大致相当，以保证各分区在优化过程中有基本相等的概率被优化。 

步骤3、对冲压成型钢板进行拉伸试验，记录表面测试点的结构响应作为试验响应输出。 

步骤4、建立冲压成型钢板拉伸试验的正问题仿真模型，在模型中施加与试验环境相同的外载与边界条件，输出测试点的结构响应作为仿真响应输出，模型中通过指数硬化模型对材料的真实应力应变关系进行描述，需要反求的参数为强化系数K和硬化指数n。 

正问题模型是车身钢板材料特性参数与结构响应输出之间的映射关系，本发明中通过有限元方法建立所需的正问题。在建立正问题模型时， Von Mises各向同性屈服准则是一个比较通用的屈服准则，尤其适用于金属材料。材料的真实应力应变关系可以通过下式的指数硬化模型进行描述： 

σ_true＝Kε_true ⁿ＝K(ε₀+ε_p)ⁿ    (1) 

${\mathrm{\ϵ}}_0={({\mathrm{\σ}}_0/K)}^{\frac{1}{n}}---\left(2\right)$

其中，K为强化系数；ε₀为弹性真应变；ε_p为塑性真应变；n为硬化指数；σ₀为初始屈服极限。 

材料模型中共有5种参数，包括弹性模量E、泊松比μ、初始屈服极限σ₀以及强化系数K和硬化指数n。由于钢板变形过程中弹性参数变化不大，使用冲压前钢板的弹性参数即可。初始屈服极限σ₀可由指数硬化公式(1)和如下线弹性公式(3)的交点决定。 

σ_true＝Eε_true            (3) 

所以，需要反求的参数主要为强化系数K和硬化指数n。 

步骤5、对原材料的应力应变曲线进行研究，根据卸载规律推测强化系数K和硬化指数n，得到以原材料的塑性应变ε_p为自变量的材料参数变化趋势方程K(ε_p)和n(ε_p)。由于实际情况与理论推测存在误差，引入调整参数ΔK，当原材料的塑性应变为ε_p时对应的材料参数修正为K(ε_p)+ΔK和n(ε_p)，从而将反求材料强化系数K和硬化指数n转化为反求中间参数ε_p和ΔK。 

如图3，根据卸载规律，材料在强化阶段某点b逐渐卸载，σ与ε将沿着与比例阶段oa几乎平行的直线bc下降。完全卸载后试件的残余应变ε_p称为塑性应变，随着卸载而消失的应变ε_e称为弹性应变。卸载后如果重新加载，σ与ε将大致沿直线cb上升，到达b点后基本遵循原来的σ-ε关系。所以根据原始材料的应力应变曲线oabe和冲压后的塑性应变ε_p，可以推断冲压硬化后材料新的应力应变曲线cbe，进而推断此时的材料参数K和n。其中，由应力应变曲线计算材料参数K和n的方法见GB/T 5028-2008金属材料薄板和薄带拉伸应变硬化指数(n值)的测定。 

在原始材料的应力应变曲线上，给定一个塑性应变ε_p值可以推测出两个参数K和n，取多个ε_p值并计算对应的材料参数值，多点拟合能够得到以塑性应变ε_p为自变量的材料参数变化趋势方程K(ε_p)和n(ε_p)，这样可以把反求参数K和n转化为反求中间参数ε_p。在图4所示的强化系数-硬化指数 曲线中，gh是通过方程K(ε_p)和n(ε_p)得到的K与n的推测关系曲线，以ε_p为中间参数进行反求时，反求参数均落在此曲线上。因为图3中冲压后的应力应变曲线cbe是理论推测曲线，冲压硬化后的实际应力应变曲线cfg同曲线cbe不可能完全一致，所以真实的材料参数K和n也不一定落在图4中的曲线gh上，很有可能位于此曲线附近，所以需要进行修正。 

添加调整参数ΔK以扩大反求空间，当塑性应变为ε_p时对应的材料参数修正为K(ε_p)+ΔK和n(ε_p)，这样可以将反求材料参数K和n转化为反求中间参数ε_p和ΔK。在图4中，通过中间参数ε_p和ΔK进行反求时的求解空间为aecf。如果直接反求K和n，则求解空间为矩形，且如果要将真实材料参数的可能位置都包括，求解空间至少为abcd。可见，通过反求中间参数ε_p和ΔK可以减少搜索范围，降低了后续优化过程的难度。 

步骤6、通过比较试验响应数据与仿真响应数据形成目标函数，从而构成反问题模型。 

反问题模型即优化模型，本发明采用常规的最小二乘方程式模型作为反问题模型，具体定义方法如下： 

$\mathrm{\ψ}\left(P\right)=\underset{j=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N_p}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{u_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{sim}}\left(P\right)-u_{\mathrm{ij}}^{\exp }}{u_{\mathrm{ij}}^{\exp }}\right)}^2---\left(4\right)$

其中，P为待求材料参数向量；N_t为外载荷总数；N_p为测试点总数； 

为在j载荷作用下i测试点的有限元仿真响应值； 

为在j载荷作用下i测试点的试验测试响应值。 

与常见的最小二乘方程式的区别在于，公式(4)中的误差 

没有直接平方和，而是都除以 

后再平方。因为拉伸试验中钢板上接近固定端的测试点误差小，接近拉伸端的测试点误差大，为了保证所有的测试点都有大致相当的概率被优化，进行归一化。 

步骤7、选取合适的优化方法对反问题模型进行优化，使之达到最小，取反问题模型最小时各分区的中间参数ε_p与ΔK，经转化得到各分区的材料参数K和n，即为真实材料参数。 

全局优化方法和梯度优化方法有很大的互补性，全局优化算法可以搜寻全局最优点，梯度优化算法速度快。所以采用合理的优化策略，将两种 算法串联起来，首先用全局优化算法找到全局最优点附近，然后用梯度优化算法进一步找到真正的最优点。这样可以结合它们各自的优势共同完成优化任务，以提高优化效率和准确度。 

下面以试样S1为例，进行相关计算。 

(1)试样S1如图5所示，试样冲压成型仿真过程如图6所示，仿真结果如图7所示，原材料的初始屈服极限为276.1Mpa。根据试样的表面形状、塑性变形程度以及冲压过程有限元仿真的结果，将试样按图8所示那样分为①～⑤共5个区域。 

(2)在每个分区的边界位置与区域内部，都设置测试点，以保证对所有分区都能采集到相应的信息，分布应较为均匀。结果如图8所示，共布置17个测试点，从A端到B端依次编号(1)～(17)。 

(3)对于S1试件，在万能材料拉伸试验机上进行单向拉伸试验，施加准静态载荷，选取位移场作为结构响应。图8中试样A端固定，用摄像测量方法分别采集试件末端B在拉伸至4N+6mm(N＝1，2，…，7)处时，试件上各测试点的位移值。因为试验开始阶段试样处于弹性变形阶段，此时的数据对于反求的材料参数意义不大，所以仅保留B端拉伸至10mm以后钢板存在塑性变形时的试验数据，试验结果如下表，表中数据单位为毫米。 

(4)正问题有限元建模时采用Von Mises各向同性屈服准则和各项同性强化准则，材料的真应力σ_true-真应变ε_true关系用公式(1)(2)的指数硬化模型定义。在模型右端施加4N+6mm(N＝1，2，…，7)的强制位移，输出测试点的相应位移值作为有限元模型响应，试件S1的有限元模型如图9所示。 

根据厂方提供的原始钢板材料特性，弹性模量E取208000Mpa，泊松比μ取0.28。 

(5)在原材料应力应变曲线上取多个ε_p值，根据卸载规律得到相应的 新的应力应变曲线，然后计算对应的材料参数值，计算结果如下表。 

可见，随着塑性应变增大，强化系数K和硬化指数n均有减小的趋势。采用5次多项式拟合曲线，得拟合方程如下： 

K＝6398000*ε_p ⁵-1387000*ε_p ⁴-23550*ε_p ³+26570*ε_p ²-3000*ε_p+585.8  (4) 

n＝5806*ε_p ⁵-1331*ε_p ⁴-2.719*ε_p ³+23.7*ε_p ²-2.879*ε_p+0.2012       (5) 

公式(4)的调整后R方为0.9987，公式(5)的调整后R方为0.999，说明拟合精度很高。添加调整参数Δk，则公式(4)转化为： 

K＝6398000*ε_p ⁵-1387000*ε_p ⁴-23550*ε_p ³+26570*ε_p ²-3000*ε_p+585.8+Δk  (6) 

(6)结合模拟退火法和广义胡克定律直接搜索法优化反问题模型，反求结果如下表。 

通过公式(6)、(5)可得所求强化系数K和硬化指数n如下表。 

Claims (3)

1.一种汽车车身冲压钢板材料特性参数的反求方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、对车身冲压成型钢板进行区域划分，根据冲压件的空间形状、冲压加工工艺特点和冲压变形程度进行初步判断，然后进行有限元仿真进一步确认分区方式；

步骤2、根据区域划分情况在冲压成型钢板表面布置测试点，车身钢板所有分区在外载作用下的弹塑性变形情况能够通过测试点的结构响应体现出来；

步骤3、对冲压成型钢板进行拉伸试验，记录表面测试点的结构响应作为试验响应输出；

步骤4、建立冲压成型钢板拉伸试验的正问题仿真模型，在模型中施加与试验环境相同的外载与边界条件，输出测试点的结构响应作为仿真响应输出，模型中通过指数硬化模型对材料的真实应力应变关系进行描述，需要反求的参数为强化系数K和硬化指数n；

步骤5、对原材料的应力应变曲线进行研究，根据卸载规律推测强化系数K和硬化指数n，得到以原材料的塑性应变ε_p为自变量的材料参数变化趋势方程K(ε_p)和n(ε_p)；由于实际情况与理论推测存在误差，引入调整参数ΔK，当原材料的塑性应变为ε_p时对应的材料参数修正为K(ε_p)+ΔK和n(ε_p)，从而将反求材料强化系数K和硬化指数n转化为反求中间参数ε_p和ΔK；

步骤6、通过比较试验响应数据与仿真响应数据形成目标函数，从而构成反问题模型；

步骤7、选取合适的优化方法对反问题模型进行优化，使之达到最小，取反问题模型最小时各分区的中间参数ε_p与ΔK，经转化得到各分区的材料参数K和n，即为真实材料参数。

2.根据权利要求1所述的汽车车身冲压钢板材料特性参数的反求方法，其特征在于：

在步骤4中，正问题仿真模型是车身钢板材料特性参数与结构响应输出之间的映射关系，其中：材料的真实应力应变关系通过下式的指数硬化模型进行描述：

σ_true＝Kε_true ⁿ＝K(ε₀+ε_p)ⁿ

${\mathrm{\ϵ}}_0={({\mathrm{\σ}}_0/K)}^{\frac{1}{n}}$

K为强化系数；ε₀为弹性真应变；ε_p为塑性真应变；n为硬化指数；σ₀为初始屈服极限。

3.根据权利要求1所述的汽车车身冲压钢板材料特性参数的反求方法，其特征在于：

在步骤6中，反问题模型即优化模型，将常规的最小二乘方程式模型作为反问题模型，具体定义方法如下：

$\mathrm{\ψ}\left(P\right)=\underset{j=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N_p}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{u_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{sim}}\left(P\right)-u_{\mathrm{ij}}^{\exp }}{u_{\mathrm{ij}}^{\exp }}\right)}^2$

其中，P为待求材料参数向量；N_t为外载荷总数；N_p为测试点总数；为在j载荷作用下i测试点的有限元仿真响应值；

为在j载荷作用下i测试点的试验测试响应值。

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