1 材料试验
1.1 概述
试验采用厚度为1.5mm的5083铝合金板材，分别通过拉伸试验与断裂试验获得材料的动态力学性能和断裂性能。拉伸试验应变率分别为0.001、1、10、100、500s-1；断裂试验分别设计单轴拉伸、缺口R5拉伸、缺口R20拉伸、中心孔拉伸、剪切、拉剪以及杯突试样。为保证试验准确性，每种工况进行3次以上试验，确保在每个工况下都能得到3条重合度较高的曲线。
1.2 力学性能试验
分别设计准静态及动态拉伸试样，准静态拉伸试验（应变速率为0.001s-1）参考《金属材料高应变速率拉伸试验第2部分：液压伺服型与其他类型试验系统》（GB/T228.1－2010）方法A进行，试样尺寸如图1所示，试验过程中采用全场应变测量系统获取试样变形位置的应变。高应变速率拉伸试验（应变速率为1、10、100、500s-1）参考《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》（GB/T30069.2－2016）[8]进行，试样尺寸如图2所示，采用DIC非接触式测量方法进行试验，为减小应变率100s-1和500s-1拉伸试验造成的振荡，采用在样件上粘贴应变片的方式进行试验。试验结束后通过GOMCorrelateProfessional2020软件对数据采集器采集的图片和数据进行处理，得到试样的应力-应变曲线。
1.3 断裂试验
研究表明，金属材料韧性断裂失效是由加载力和微观粒子的联合导致的，其断裂行为与材料的受力状态具有一定的相关性。由于汽车零部件材料在碰撞过程中的应力受力状态非常复杂，因此，需设计多种受不同应力状态的试样以及不同工况的试验，获得材料的断裂性能。
为研究材料的断裂失效特征，本研究设计了表征材料六种不同应力状态的断裂试样，包括单轴拉伸、缺口R5拉伸、缺口R20拉伸、中心孔拉伸、剪切、拉剪和杯突试样，试样尺寸如图3所示。以上断裂试验速度均为2mm/min，采用全场应变测量系统获取试验过程中试样变形位置的应变。
2 本构方程建立
2.1 力学性能试验数据处理
根据不同应变速率下的单向拉伸试验结果，选取重复度较高、振荡较小的试验曲线，得到如图4所示的材料拉伸工程应力-应变曲线。根据结果发现，5083铝合金在单向拉伸时出现了与应变率效应不同的现象，即随着应变率的增加，材料的屈服应力未出现明显的直线增加或减小，如表1所示。同时可观察到在试验过程中出现了非常明显的应变硬化现象，即材料的塑性流动应力随应变的增加而增加，这是典型的面心立方结构金属特征。
通过在中高应变率（1、10、100、500s-1）下进行的单向拉伸性能曲线可知（见图4），随着应变率的增加，材料的抗拉强度增加幅度较小，即5083铝合金具有对应变速率效应不敏感。随着应变速率的增加，铝合金中多个滑移系的运动同时进行，这导致了材料塑性变形能力变强；同时铝合金中的位错密度会变大，阻止位错运动发生的力增大，材料抵抗变形的能力随之变强，由此导致材料的抗拉强度随着应变速率的升高而增大。但是，由于5083铝合金基体的位错密度不会在变形中迅速的增加，因此，其抗拉强度不会随着应变速率的增加而发生大幅度的增加。
2.2 力学性能本构模型建立
本研究中本构模型采用*MAT_24材料。在本构模型开发中，需要对试验数据进行处理。首先，采用式（1）、式（2）将不同应变率加载条件下得到的单向拉伸工程应力-应变数据转换为真实应力-应变数据。之后，采用式（3）可获得各应变率条件下的真实应力-塑性应变曲线。
真实应变计算公式如下：
式中，ɛT为真实应变；ɛE为工程应变。
真实应力计算公式如下：
塑性应变计算公式如下：
式中，ɛP为塑性应变；E为弹性模量。
为了满足仿真分析中材料大变形行为的表征，而颈缩点后材料的真实应力-塑性应变曲线无法通过试验直接测试获得，因此，需要根据材料的性能曲线选取合适的准则进行表征，并对颈缩后的力学行为外推。在本研究中经过多个准则拟合筛选后，选择采用Swift-Hockett-Sherby硬化准则[10]拟合材料曲线和外沿处理，该模型具有饱和型硬化模型与非饱和型硬化模型的优点，可以更加精准地描述材料的硬化行为，混合S-H-S硬化模型如下：
（4）式中，σ为Swift模型在混合S-H-S模型中的权重系数；ɛpl为去除弹性段数据后的塑性应变值；σi为材料的屈服强度；C、ɛ0、m、K、σsat、α和p
为参数。
本研究中采用自主研发的车用材料性能研发工具系统软件对试验材料5083铝合金的动态拉伸数据进行拟合外延，软件中集成了S-H-S模型、Ludwik模型、J-C模型等多种材料模型并且可以对材料的类型进行选择。将试验得到的工程应力应变曲线导入到车用材料性能研发工具系统中，选择材料类型铝合金和拟合函数S-H-S就可以得到各个应变速率下拟合外延的曲线。
在LS-DYNA中以准静态和应变率500s-1的单轴拉伸试验为研究对象，网格尺寸采用2.0mm，将拟合得到的外推曲线导入材料模型中进行计算，并通过对硬化准则方程参数的优化调整，最终得到可以较好的预测5083铝合金力学强度性能的模型，*MAT_24中各参数如表2所示，其中材料应力应变加载曲线采取输入拟合曲线。计算结果如图5所示，仿真得到的力学曲线与试验曲线吻合度较高，验证了优化的S-H-S准则可较好的预测铝合金的塑性力学行为。
2.3 断裂失效模型建立
MMC断裂失效准则是一种唯象的断裂模型，同时考虑了应力三轴度及归一化洛德角参数对断裂失效的影响。应力三轴度是静水压力与Mises等效应力的比值，其计算公式如下：
式中，p为静水压力；σ为Mises等效应力；σ1、σ2、σ3为主应力空间中的3个主应力值，并且σ1＞σ2＞σ3。
式中，θ为洛德角；θ为归一化洛德角系数；J2、J3分别为第二、三偏应力张量不变量。
MMC断裂准则公式如下：
式中，K、C、CS、f、n为系数。
根据有限元仿真分析结果可得材料在不同工况下的应力三轴度和洛德角参数，基于此可建立失效模型。然而，材料在试验过程中，其断裂损伤区域的应力状态不是恒定不变的，因此，一般采用损伤累积公式来判定失效（见式（11））。其中，由损伤积累因子D判断材料断裂与否，当D=1时，单元发生失效，被删除，材料出现裂纹。
中国汽车技术研究中心自主研发的失效参数拟合系统V1.0可以实现对MMC模型的拟合，只需将应力三轴度、洛德角系数和等效断裂应变值输入软件中，即可一键得到材料的失效曲面或失效曲线。
基于非接触应变试验系统试验结果，可读取材料断裂位置的等效塑性应变最大值，将此值作为本次研究的初始临界等效失效应变。根据1.3章节设计的不同断裂试验，建立不同工况的有限元模型，通过仿真分析提取主要应变单元在变形过程中的平均应力三轴度和归一化洛德角参数。将DIC提取的试验的临界等效断裂应变值和LS-DYNA得到的主要应变单元在断裂过程中的平均应力三轴度和归一化洛德角系数输入失效参数拟合系统V1.0中得到5083铝合金材料的失效曲线，采用LS-OPT对参数进行反求优化多次迭代，可拟合得到优化的MMC模型参数，图6中所示包括拟合优化得到的MMC断裂面和平面应力状态下的失效曲线。
将拟合优化得到MMC断裂参数输入模型中，对六种不同断裂试验进行仿真计算，得到载荷-位移曲线，并与试验结果进行对标，如图7所示，结果表明，模拟结果与试验结果吻合性较好。
在安全仿真分析中，除了需要满足仿真与试验的力学性能吻合性较高外，材料的变形方式也是值得重点关注的，因此，需要关注材料级别的仿真与试验变形行为的吻合性。通过DIC分析得到材料在不同应力状态下临界断裂时刻的等效应变云图，并与仿真分析中各个工况下材料在临界断裂时刻的等效应变云图进行对比，如图8所示，可发现二者在材料的大变形失效区域基本保持一致。
3 模型验证
为了验证MMC断裂模型的准确性，对材料进行三点弯曲试验和动态穿孔试验。试验中，加载速度为1m/s。根据试验工况，建立5083铝合金三点弯曲和动态穿孔有限元仿真模型。将上文建立的MMC模型参数输入有限元模型中进行计算，根据仿真分析结果读取载荷-位移曲线，将其与试验数据进行对标，如图9所示，结果表明吻合性较好。这说明，本文建立的断裂模型可较为准确的预测5083铝合金的失效，为后续电池包和整车的安全仿真分析奠定了坚实的材料数据基础。
4 结论
1）通过不同应变率的单向拉伸试验得到，在应变率500s-1以下时，5083铝合金具有较低的应变率敏感性；
2）本文建立了5083铝合金本构模型，通过对比仿真结果与试验结果，二者吻合度较高，表明SHS硬化准则可较好预测5083铝合金的塑性流动力学行为；
3）本文建立了5083铝合金断裂失效表征的MMC模型，仿真应变云图与试验结果相似，曲线与试验结果重合度高，表明本文建立的断裂模型精度较高，后续可用于电池包和整车的碰撞安全仿真分析。
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