CN117916400A - 具有优异能量吸收性能的高强度且高长细度部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在冲击情况下具有优异的能量吸收性能的高强度且高长细度结构部件。具体地，本发明涉及一种用于在机动车辆中使用的结构部件。该结构部件的极限拉伸强度高于1000MPa，屈服强度与极限拉伸强度的比率大于0.85，在归一化为1.5mm的厚度下的弯曲角度大于55°，并且长细比高于10。

Description

具有优异能量吸收性能的高强度且高长细度部件
技术领域
本发明涉及在冲击情况下具有优异能量吸收性能的高强度结构部件。具体地，本发明涉及用于在机动车辆中使用的结构部件。
背景技术
高强度且高长细度结构部件在车辆的抗碰撞性能中起着重要作用。所述结构部件是含有中空腔的狭长组件。在冲击期间，所述结构部件通过屈曲吸收能量，并且从而形成褶皱，褶皱吸收一部分碰撞能量。所述结构部件还充当车辆架构的载荷路径上的重要的中继器，并且有助于将碰撞能量从车辆的一个端部传递并扩散至另一端部，从而确保车辆架构能够最大限度地吸收碰撞能量。
因此，高强度且高长细度结构部件在提高车辆乘员的安全性方面发挥着重要作用。
在发生碰撞时，高长细度部件受到压缩力，该压缩力不一定严格平行于部件的长度方向。为了最大限度地吸收能量，重要的是高长细度部件尽可能地在自身上进行瘪缩(bottling)。当压缩力与部件的长度方向之间存在一角度时，部件在完全瘪缩之前存在弯曲的风险。一旦部件弯曲，就不能再进行瘪缩，并且因此将无法吸收尽可能多的能量。
发明内容
本发明的目的是通过提供一种即使在成角度的压缩载荷的情况下也具有稳健的屈曲行为的高长细度部件来解决这个问题。这对于当前既要满足严格的安全要求并且又要针对能耗满足重量减轻要求的车辆来说特别重要。
本发明的目的通过提供一种根据权利要求1的高长细度部件来实现，该部件可选地包括权利要求2至5所述的特征。
附图说明
现在将参照附图，在不引入限制的情况下通过示例详细地描述和说明本发明：
-图1是根据本发明的实施方式的高长细度部件的示意图，其中，图1a是对说明书中所限定的不同角度的定义进行详述的插图，
-图2是根据本发明的高长细度部件(I1)和参考示例(R2)在碰撞测试期间的对比模拟行为的俯视图，其中，在冲击器与部件的纵向方向之间具有一角度，
-图3是根据本发明的高长细度部件(I1)和参考示例(R2)在碰撞测试期间的对比模拟行为的侧视图，其中，在冲击器与部件的长度方向之间具有一角度。
具体实施方式
在Leonhard Euler的屈曲理论中常用的长细比由以下公式限定，其中，L为部件的长度，S为部件的直截面面积，以及I最小为所考虑的截面的面积的最小二次矩。
通常，在一组笛卡尔坐标(x，y)中，横截面A的面积的最小二次矩I最小由以下公式限定：
I最小＝min(∫∫Ay2dxdy；∫∫Ax2dxdy)
例如，对于外部尺寸为b和h以及内部尺寸为b1和h1的中空矩形截面，其面积的最小二次矩I最小使用以下公式进行计算：
例如，对于外半径为R和内半径为R1的中空环形截面，其面积的最小二次矩I最小使用以下公式进行计算：
当部件的长细比大于10时，可以认为该部件具有高的长细度。
根据VDA-238-100弯曲标准来测量弯曲角度。在本发明中，弯曲角度是在回弹后测量的。对于同一种材料，弯曲角度取决于厚度。为了简单起见，本发明的弯曲角度值是指厚度为1.5mm。如果厚度不同于1.5mm，则需要通过以下计算将弯曲角度值归一化为1.5mm，其中，α1.5是归一化为1.5mm下的弯曲角度，t为厚度，以及αt为针对厚度t的弯曲角度：
α1.5＝(αt×√t)/√1.5。
部件的弯曲角度代表了部件在不形成裂纹的情况下抵抗变形的能力。
根据2009年10月出版的ISO标准ISO 6892-1测量极限拉伸强度、屈服强度和伸长率。拉伸测试试样是从平坦区域切下的。如有必要，采取小尺寸拉伸测试样品以适应于部件上的全部可用平坦区域。
术语“断裂应变”是指Pascal Dietsch等人在Metallurgical ResearchTechnology(冶金研究技术)2017年第6期第114卷中的“Methodology to assess fractureduring crash simulation：fracture strain criteria and their calibration(碰撞模拟期间评估断裂的方法：断裂应变标准及其校准)”中限定的断裂应变标准。断裂应变是在已经达到临界弯曲角度时于材料内在变形点处的等效应变。临界弯曲角度限定了在已经根据标准化VDA-238-100标准而变形的样品的拱背上检测到第一个裂纹的角度。
术语“瘪缩”是指承受压缩载荷的部件、通常是高长细度部件的变形模式，其中，该部件通过因该部件的连续局部屈曲变形而形成一系列连续波来逐渐吸收压缩载荷的机械能。因此，该部件的在变形之后沿压缩载荷方向测量的长度小于该部件的沿所述方向的初始长度。换句话说，当部件通过受控屈曲对压缩载荷作出反应时，该部件以与在瓶的顶部与底部之间施加了压缩载荷的塑料瓶相同的方式折叠到自身上。
热冲压是用于钢的这样的成型技术：其涉及将坯件加热直到钢的微观组织已至少部分地转变为奥氏体的温度，从而通过对坯件进行冲压使其在高温下成型，并且对成型部件进行淬火以获得具有非常高强度的微观组织，其中，在热处理中可能具有额外的配分步骤或回火步骤。热冲压允许获得具有复杂形状的非常高强度的部件并且呈现许多技术优点。应当理解的是，部件经受的热处理不仅包括上述热冲压过程本身的热循环，而且还可能包括其他后续热处理循环，比方说例如在部件已被上漆之后为了烤漆而进行的烤漆步骤。以下热冲压部件的机械性能为在全部热循环——在确实已进行了烤漆的情况下，可选地包括例如烤漆步骤——之后测量的机械性能。
坯件是指已经被切割成适于其用途的任何形状的平坦板。坯件具有顶面和底面，顶面和底面也被称为顶侧部和底侧部或者顶表面和底表面。所述面之间的距离被指定为坯件的厚度。该厚度可以例如使用测微计来测量，测微计的主轴和砧部置于顶面和底面上。以类似的方式，也可以在成型部件上测量厚度。
硬度是对由机械压痕引起的局部塑性变形的抵抗力的测量。硬度与材料的机械性能密切相关，并且是一种有用的局部测量方法，该测量方法不需要切割样品进行拉伸测试。在本发明中，硬度测量是根据标准ISO 6507-1使用维氏压头进行的。维氏硬度用单位Hv表示。
热影响区是材料的在焊接操作期间被加热的焊缝周围的区域。在高强度材料、例如高强度钢的情况下，众所周知的是，热影响区可能具有较弱的机械性能。事实上，热影响区经历类似于回火的热处理，这可能导致软化。
使用以下协议来对材料的热影响区中的硬度下降进行测量：
1/通过沿着穿过两个焊接板的热影响区并穿过点焊部本身的交错线、每隔0.2mm来测量0.5kg载荷下的维氏硬度，从而获得焊缝的硬度分布(profile)。
2/确定所述硬度分布的最薄弱点(通常出现在热影响区中)并且记为HV最小。
3/通过取若干个点的平均测量值来测量远离焊缝的基础金属的硬度，并且记为HVBM。
4/硬度下降计算为差值HVBM-HV最小，以Hv表示。
参照图1，高长细度部件1沿主纵向方向Ldir在两个端部E1与E2之间延伸，并且沿横向方向Tdir延伸。高长细度部件1包括封围在顶部3与底部2之间的中空容积4。
如图1上所示，在特定的实施方式中，高长细度部件1是通过分别形成顶部3和底部2并且然后将顶部3和底部2结合在一起而制成的，顶部3通常是欧米伽形部件，并且底部2是平坦的封闭板。例如，顶部3和底部2通过焊接结合在一起、例如通过在凸缘6上进行点焊而结合在一起，这产生了点焊部5。
在另一实施方式中，高长细度部件被制成包括顶部和底部的单件。例如，高长细度部件通过挤压制成。例如，高长细度部件通过辊压成型形成。例如，高长细度部件由成型的金属管制成。
高长细度部件在车辆架构中比比皆是，一些示例是将前碰撞盒结合至门槛(rocker)组件的前部部件、将后碰撞盒结合至门槛组件的后部部件、在车辆中横向延伸的交叉部件、门槛面板本身等。高长细度部件通常在其端部E1和E2中的每个端部处附接至车辆结构的其余部分。
高长细度部件被设计成在碰撞产生的压缩应力下吸收能量。参照图1，高长细度部件受到施加在E1上的F1和施加在E2上的反作用力的共同作用。这些力由在E1和E2处附接至高长细度部件的其他部件施加。参照图1a，F1与纵向方向Ldir形成角度β。除了由F1及其反作用力施加的压缩载荷外，该角度还会在高长细度部件上产生弯矩。
因此，高长细度部件受到压缩应力和弯曲力矩两者，压缩应力可以通过瘪缩变形(瘪缩变形使部件保持在Ldir方向上)或远离Ldir方向的弯曲变形来适应，弯曲力矩可以通过远离Ldir方向的弯曲方向来适应。将部件保持在Ldir方向上的瘪缩变形和使部件远离Ldir方向弯曲的弯曲变形相互竞争。一旦开始发生弯曲，E1和E2的法向量之间的角度将增加，这将进一步促进弯曲变形模式并抑制瘪缩变形模式。此时，高长细度部件将不再通过瘪缩而变形，而是仅通过向自身弯曲而变形。
瘪缩在材料中形成多个褶皱，而弯曲在材料中仅形成一个褶皱。因此，瘪缩吸收更大量的能量，并且令人关注的是促进瘪缩变形模式而不是弯曲模式，以增加部件的能量吸收效果。此外，在碰撞期间，瘪缩保持了部件的大致方向，而弯曲将使部件沿不可预测的方向变形并且以灾难性的方式变形。因此，与弯曲相比，瘪缩使部件在碰撞期间的行为更可预测，并且使部件在碰撞场景发生时与车辆结构的其余部分进行可预测且正确的协作，这是瘪缩优于弯曲的另一个重要优势。
用高强度材料制造高长细度部件以吸收尽可能多的能量也是令人关注的。例如，用于制造高长细度部件的至少一部分或全部的材料在成型后的拉伸强度高于1000MPa。例如，用于制造高长细度部件的至少一部分或全部的材料在成型后的拉伸强度高于1300MPa。例如，用于制造高长细度部件的至少一部分或全部的材料在成型之后的拉伸强度高于1500MPa。例如，用于制造高长细度部件的至少一部分或全部的材料在成型后的拉伸强度高于1800MPa。
令人惊讶的是，发明人已经发现，在角度β严格大于0的情况下，当使用具有较高的屈服强度与极限拉伸强度(YS/UTS)比率的材料时，会促进屈曲变形模式。特别地，发明人已经发现，YS/UTS比率大于0.85、甚至更优选地YS/UTS比率大于0.9的高长细度部件表现出非常好的瘪缩行为和小的弯曲反应。
此外，发明人已经发现，当使用具有更高弯曲角度的材料时，能量吸收量增大。事实上，这意味着材料可以形成褶皱而不会在褶皱的最大变形区域中出现裂纹。这些裂纹降低了能量吸收，因为开裂区域变形需要的能量要少得多。裂纹还可能导致裂纹扩展和部件的灾难性失效，这种情况需要被阻止，以确保通过载荷路径进行能量吸收和能量传递，并且坚持可预测的整体车辆碰撞场景。
尽管材料具有足够的弯曲能力以避免出现裂纹是很重要的，但是发明人发现弯曲角度不必非常大。例如，归一化为1.5mm下的弯曲角度为55°足以实现良好的能量吸收。更优选地，归一化为1.5mm下的弯曲角度为70°的材料可以用于良好的能量吸收。
发明人还发现，最小水平的断裂应变可以有利于增大能量吸收。例如，令人关注的是，最小断裂应变为0.5，以促进高的能量吸收并避免部件的灾难性失效。
在由至少两个不同部件通过焊接结合在一起而制成的高长细度部件的情况下，比如在图1中所示的一个高长细度部件的情况下，点焊部5及其周围区域的机械阻力将对总的能量吸收产生影响。
在高强度材料例如高强度钢的情况下，众所周知的是，热影响区可能具有较弱的机械性能。事实上，热影响区经历类似于回火的热处理，这可能导致软化。
发明人已经发现，在这种类型的结构中，使用在热影响区中显示出小的硬度下降的材料是有利的。更具体地，在热影响区中使用与基础金属相比硬度下降小于100Hv的材料是有利的。硬度下降优选地低于80Hv、甚至更优选地低于50Hv是有利的。
在特定实施方式中，用以制造高长细度部件的至少一部分或整个高长细度部件的材料是包含按重量％表示的以下元素的钢：
C：0.1％-0.25％
Mn：3.00％-5.00％
Si：0.80％-1.60％
B：0.0003％-0.004％
S≤0.010％
P≤0.020％
N≤0.008％
并且所述钢可选地包含按重量百分比计的以下元素中的一者或更多者：
Ti≤0.04％
Nb≤0.05％
Mo≤0.3％15
Al≤0.90％
Cr≤0.80％
所述组成的其余部分为铁和熔炼产生的不可避免的杂质。
该材料使用热冲压进行加工，并且得到的热冲压部件的UTS例如高于1000MPa、伸长率高于10％、YS/UTS比率高于0.9、弯曲角度大于55°，并且热影响区中的硬度下降小于80Hv。
在特定实施方式中，用于制造高长细度部件的至少一部分或整个高长细度部件的材料是包含按重量％表示的以下元素的钢：
C：0.03％-0.18％
Mn：6.0％-11.0％
Mo：0.05％-0.5％
B：0.0005％-0.005％
S≤0.010％
P≤0.020％
N≤0.008％
并且所述钢可选地包含按重量百分比计的以下元素中的一者或更多者：
Al＜3％
Si≤1.20％
Ti≤0.050％
Nb≤0.050％
Cr≤0.5％
这种材料使用热冲压进行加工，并且得到的热冲压部件的UTS例如高于1000MPa、伸长率高于10％、YS/UTS比率高于0.9、弯曲角度大于55°，并且热影响区中的硬度下降小于80Hv。
在特定实施方式中，用于制造高长细度部件的至少一部分或整个高长细度部件的材料是包含按重量％表示的以下元素的钢：
C：0.2％-0.34％
Mn：0.50％-2.20％
Si：0.5％-2％
P≤0.020％
S≤0.010％
N≤0.010％
并且所述钢可选地包含按重量百分比计的以下元素中的一者或更多者：
Al：≤0.2％
Cr≤0.8％
B≤0.005％
Ti≤0.06％
Nb≤0.06％
所述组成的其余部分为铁和熔炼产生的不可避免的杂质。
例如，由所述材料制成的所述高长细度部件的所述部分的微观组织按表面分数计包含：
-95％或更多的回火马氏体，
-以及少于5％的贝氏体。
例如，由所述材料制成的所述高长细度部件的所述部分具有以下机械性能：极限拉伸强度TS高于1000MPa，断裂应变高于0.5，弯曲角度大于55°，并且热影响区中的硬度下降低于80Hv。
在特定实施方式中，用于制造高长细度部件的至少一部分或整个高长细度部件的材料是包含按重量％表示的以下元素的钢：
0.20％≤C≤0.25％
1.1％≤Mn≤1.4％
0.15％≤Si≤0.35％
Cr≤0.30％
0.020％≤Ti≤0.060％
0.020％≤Al≤0.060％
S≤0.005％
P≤0.025％
0.002％≤B≤0.004％
其余部分为铁和由精炼产生的不可避免的杂质。
现在将通过以下示例来说明本发明，这些示例决不是限制性的。
使用LS-DYNA R11.1.0模拟了由不同材料制成的高长细度部件上受到一定角度的冲击时的反应。使用的网孔尺寸为3mm。
参照图1，所模拟的高长细度部件1是通过使顶部3和底部2分别成型并且然后通过在凸缘6上进行点焊将顶部3和底部2结合在一起而制成的，从而产生了点焊部5，顶部3通常是欧米伽形部件，底部2是平坦的封闭板。这种结合通过在每侧沿着每个凸缘每隔30mm、产生20个点焊部而完成。每个点焊部5具有直径为6mm的熔核，并且热影响区由每个熔核周围的3mm的环形部进行模拟。
高长细度部件1具有以下尺寸：
-金属板在成型前的厚度为1.5mm，
-长度L为600mm，
-封闭板2在横向方向上的总宽度为130mm，包括两个各为25mm的凸缘6。因此，封闭板的封围中空容积4的宽度为130-2*25＝80mm。
-中空容积4的高度为60mm。
为了简单起见，下面的长细度因子是针对具有相同中空容积4和相同金属板厚度的完美矩形部件进行计算的。也就是说，计算长细度系数时无需考虑凸缘的影响，凸缘的影响将是非常小的。
在下面的公式中，系数b1和b分别对应于矩形部件的内部宽度(即60mm)和外部宽度(即b＝b1+2*厚度＝b1+3mm)，系数h1和h分别对应于矩形部件的内部高度(即60mm)和外部高度(即h＝h1+2*厚度＝h1+3mm)。最小二次矩由以下公式给出：
最小二次矩计算为：
I最小＝min(441881，75；289491，75)
I最小＝289491，75
长细比由以下公式给出：
其中，直截面的面积S＝h*b-h1*b1。
长细比计算为：
长细比＝23.1
因此，所述形状得出的长细比为23.1。
部件1在一个端部E2处固定，并且在其另一端部E1处受到平面冲击器7的冲击，该冲击器7以与纵向方向Ldir成10°的角度β行进，并且初始冲击速度为16m/s，并且质量为417kg。
结果以能量吸收的形式表示，由软件直接提供，并且以删除的元素的形式表示碰撞导致的断裂水平。
应用Fosta 806项目“P.806-Characterization and simplified modeling ofthe fracture behavior of spot welds from ultra-high strength steels for crashsimulation with consideration of the effects of the joints on componentbehaviour(在考虑接头对部件行为的影响的情况下对碰撞模拟所用的超高强度钢的点焊部的断裂行为进行表征和简化建模)”(Fosta代表“ForschungsvereinigungStahlanwendung”，即钢铁应用研究协会)中开发的方法来模拟点焊部在载荷下的行为。为了将点焊行为的影响与材料的其余行为区分开来，在考虑和不考虑点焊部存在的情况下进行了模拟(在表1中，对于“热影响区中硬度下降”一行，表示“无焊接”的列对应于未考虑焊接行为进行的模拟)。
使用材料卡MAT123和MAT_ADD_EROSION对失效行为和相关联的删除元素计算进行模拟。关于该方法的进一步解释可以例如参见Stanislaw Klimek在2008年InternationalAutomotive Body Congress(国际汽车车身大会)上发表的“Simulation of Spot Weldsand Weld Seams of Press-Hardened Steel(PHS)Assemblies(压力硬化钢(PHS)组件的点焊部和焊缝的模拟)”。
删除元素的数目是对在碰撞期间发生的断裂量的评估。因为失效模型没有考虑裂纹的扩展，可以说在模拟中断裂对整体结果的影响可能被低估，并且在实际的物理碰撞测试中，由于失效扩展和部件的最终完全失效(比方说例如部件被切成两半)，当删除元素的数目较高时，能量吸收水平可能会较低。应当注意的是，这种灾难性失效不仅会影响能量吸收，并且还会影响部件在预测的车辆碰撞场景中的整体行为。事实上，它扰乱了预期的载荷路径，并且意味着车辆的不同部件由于不再结合在一起而将沿不受控的方向行进。这种缺乏控制的情况导致车辆在碰撞期间出现不可预测的灾难性行为。
参照表1，在整个碰撞场景中，在碰撞时间的1/4、碰撞时间的1/2、碰撞时间的3/4和碰撞时间结束时取样，显示了吸收能量的量和删除元素的数目的变化。本发明的示例编号为I1和I1w，分别对应于不考虑点焊行为的情况和考虑了点焊行为的情况。与本发明以外的情况相对应的参考示例被称为R1、R1w、R2、R2w、R3和R3w。
本发明的示例示出了最大的能量吸收量和最小的删除元素的数目，即最有利的响应。
与本发明相比，R1、R1w具有更低的YS/UTS比率和更小的弯曲角度。这导致较低的能量吸收和较高的断裂量(删除元素的数目)的组合。
R2、R2w具有比本发明更低的YS/UTS比率。这导致较低的能量吸收。参照图2和图3，图2和图3分别是I1和R2在碰撞时间的1/4、1/2、3/4和完全碰撞时间时的碰撞模拟的俯视图和侧视图，冲击器7的角度导致部件1在3/4碰撞时间时开始最终弯曲。这种弯曲导致R2的能量吸收量较低。实际上，I1和R2在1/4时间和1/2时间时具有非常相似的能量吸收水平，所述能量吸收水平在3/4时间时开始相互偏离，这与R2中开始弯曲的时间相对应。另一方面，11的高长细度部件通过瘪缩而继续变形，直到碰撞结束为止。
R3、R3w具有比本发明更小的弯曲角度，这导致删除元素的数目显著更高。
在对具有点焊影响的示例和不具有点焊影响的示例进行比较时，很明显的是，热影响区中的重要的硬度下降对能量吸收具有不利影响。R1与R1w、R2与R2w以及R3与R3w的情况都是如此，热影响区中的硬度下降都为200Hv。由此导致的能量吸收下降范围从R1与R1w的0.4kJ到R2与R2w的2.4kJ。
表1：碰撞模拟结果

Claims (4)

1.一种由成型之后极限拉伸强度高于1000MPa的材料制成的部件，其中：
-所述材料的屈服强度YS与所述极限拉伸强度UTS之间的比率高于0.90，
-所述材料在归一化为1.5mm的厚度下的弯曲角度大于55°，
-所述部件的长细比大于10。
2.根据权利要求1所述的部件，其中，用于制造所述部件的所述材料在归一化为1.5mm的厚度下的弯曲角度大于70°。
根据权利要求1或2所述的部件，其中，所述部件由若干个单独的部件通过焊接组装在一起而制成，并且其中，与所述焊接操作相关联的热影响区中的硬度下降小于100Hv。
3.根据权利要求1至3中的任一项所述的部件，其中，用于制造所述部件的所述材料是钢。
4.根据权利要求4所述的部件，包括通过对所述钢进行热冲压制成的至少一个部分。
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