新能源化环境下车身设计相对于传统内燃机车身发生了较大的变化，采用压铸铝合金零件替代原有数量繁多连接复杂的结构件成为车身轻量化以及节能减排的重要方向。而新材料和新工艺往往意味着汽车碰撞安全仿真性能预测的新挑战。相比于过去成型钣金材料性能均匀不同，压铸零件由于其铸造工艺复杂性导致材料在零件上性能呈现出明显的离散性。压铸过程中原料的流动长度、凝固速率等差异导致的材料微观组织结构的不均匀性，以及凝固后零件上缩孔形成情况对机械性能分布，尤其是材料韧性有着显著的影响。

传统安全碰撞分析中单个零件采用单一性能的材料本构和失效准则进行建模仿真。考虑到大型一体压铸零件的材料离散性差异，这种模拟已无法达到行业要求的预测精度。如采用小尺寸平板模或铸造样件标定的材料名义性能会导致过分估计零件性能，从而无法预测可能的变形和失效情况；而采用零件中位数性能进行模拟又会低估大部分韧性较好的结构区域，造成分析结果过于保守以及较大的冗余设计。随着近年来汽车用大型免热处理一体化铸件的迅速发展，以及在国内外供应商和主机厂的应用落地，这一模拟精度问题也越发显得紧迫和突出。

本文面向碰撞安全分析中一体压铸件材料性能离散性的问题，提出一种考虑铸造工艺与材料机械性能对应关系，并映射到有限元模型中的模拟方法和分析流程，研究其在实际有限元模拟中的工程应用。

2.1材料级实验

案例研究过程中，针对某一型免热压铸铝合金进行了材料级实验与材料卡片标定。材料级实验采用了小尺寸铸造平板模料片进行切样与实验分析，小尺寸平板模优势在于工艺稳定，材料性能均匀，是用来标定材料基础力学性能的理想选择。

除了常规的单轴拉伸以外，还需要根据压铸铝合金的特点设计包括单轴压缩、缺口拉伸（静态/动态）、圆孔拉伸（静态/动态）、三点弯曲、剪切以及穿孔等类型的样件实验。实验数据中的位移载荷曲线转换为应力应变曲线用于MF_GenYld中塑性流动和屈服准则等弹塑性参数的标定，回收样件（图2）通过测量断口区域断后厚度与原厚度比，可计算获得不同应力状态下的失效应变数据，并用于CrachFEM失效准则参数的拟合。

Figure 1. tested specimen

图1. 实验回收样件

2.2 材料参数标定

卡片的开发则选择了MFGenYld和CracFEM弹塑性本构和失效准则，除了可以准确考铸造铝合金拉压异性以及应变率相关的复杂失效以外，CrachFEM材料还可以引入工艺参数映射，对单个PART上的不同单元-积分点进行初始化，给予不同的材料性能。而且可以与主流的显式有限元求解器ls-dyna，pamcrash，radioss和abaqus联合使用，泛用性强。硬化曲线通过单轴拉伸应力应变数据外推得到。铝合金高塑性变形端塑性流动曲线平缓，一般可采用Hockett Sherby或者Swift加权组合的方式进行外插。对比拉伸和压缩实验数据，该材料体现出较明显的强度拉压异性，故使用对应的拉压非对称屈服面模型进行标定。

Figure 2. stress flow extrapolation (a-left) and tension/compression asymmetric yield locus (b-right)

图2. 塑性流动曲线外插 (a左)  拉压异性屈服面准则 (b右)

CrachFEM将失效形式通过断口形态分成正向和剪切两种类型，并辅以不同的失效曲线（面）方程。不同类型的样件表征了不同的应力状态，可根据实际断口厚度测量值计算等效断裂塑性应变。在完成正向断裂和剪切断裂分类以及对应的断裂应变估计后，便可根据正向断裂和剪切断裂的公式得到正向断裂和剪切断裂的两条断裂极限曲线。与普通钣金不同，由于一体压铸材料本身韧性较差，失效前没有明显的颈缩失稳，故不考虑成型极限对材料特性的影响。另外，由于铝合金材料一般都存在韧性的应变率效应，故需要考虑失效曲线/面随应变率变化的情况。从高速圆孔和高速缺口的实验结果上看，该型铝合金韧性随应变率提高而提高，即在高速冲击条件下表现出高于静态的韧性。

Figure 3. stress flow extrapolation (a-left) and tension/compression asymmetric yield locus (b-right)

图3. 正向及剪切失效准则 (a左)  拉压异性屈服面准则 (b右)

3.1 回型压铸件切样测试结果

实际零件切样是了解零件性能最有效的手段。为了解铸造工艺中各个因素对材料机械性能的实际影响，对一回型零件进行了切样实验分析。该回型零件由三枚不同厚度和宽度的旋臂组成【图4】，有效长度1m，宽度及厚度分别为2mm*6mm，4mm*8mm和6mm*10mm。结构中心为料饼进料扣，悬臂尾端为排气口。

Figure 4. hpdc-al spiral specimen

图4. 高压铸造铝合金回型零件 

以4mm*8mm旋臂上不同位置切样的单轴拉伸实验结果【图5】可以明显看出，该型高压铸造铝合金回型件上不同区域材料的屈服强度波动较小，但材料的韧性有非常明显的改变。具体变现为随着铸造流动长度增加（远离浇筑口）而韧性逐步降低，这也和一般实践工程经验相符。

Figure 5. spiral uniaxial tensile specimen test results

图5. 回型件单轴拉伸切样实验结果

单轴拉伸实验由于其延伸率受样件加工精度和实验加载条件影响较大，故一般仅用来定性地评估材料韧性的好坏。如需要标定材料韧性和工艺因素的准确关系，则还需要进行列如3点弯曲、缺口或者圆孔等类型材料断裂样件的实验。由于回型件旋臂宽度较小，本文选取3点弯曲实验【图6】来测试和评估回型件上材料点的韧性性能。

Figure 6. spiral uniaxial tensile specimen test results

图6. 回型件单轴拉伸切样实验结果

由于三点弯曲实验断裂初始位置是料片受张力一侧的表面，可以通过DIC设备测量直接测量表面断裂等效应变。【图7】

Figure 7. DIC measure of bottom surface – 3point bending

图7. 三点弯曲底面DIC测量结果示意图

3.2 回型压铸件工艺模拟结果

一体压铸零件铸造工艺复杂，结构上不同材料点的工艺过程数据均不相同。工艺仿真能较准确且全面的获取零件上各个材料点的工艺信息，常用的商业软件包括Flow3D，MagmaSoft和ProCast等。国内外也有不少机构和铸造公司自研相应的铸造模拟软件。本案例选取对铸铝材料影响较大的三个工艺结果：流动长度、凝固时间以及缩孔率作为关键信息，并通过Flow3D软件进行压铸工艺过程的模拟和输出。

Figure 7. casting simulation results of spiral specimen

图7. 回型件压铸工艺模拟结果信息

4.1 工艺信息与材料机械性能关系

通过对比3.1节中各个材料点实测强度和韧性结果与3.2中对应的工艺信息可以粗略地判断变化趋势，同时可以通过回归计算进行线性或者非线性拟合散点，从而找到两者之间的对应关系【图8】。本例中由于Flow3D缩孔信息输出与实际零件匹配度存在问题，故仅以流动长度和凝固时间作为参数进行回归计算。工艺参数与材料性能之间的关系多以非线性为主，可以多元非线性模型回归近似两者之间的关系。

Figure 8. cast process to mechanical properties relationship

图8. 压铸工艺信息与材料性能关系

4.2 基于CrachFEM材料的工艺映射模拟

CracFEM软件提供了压铸铝合金材料性能工艺映射的接口，以LSDYNA为例，可使用*INITIAL_STRESS_SHELL/SOLID关键字对单元分点进行映射和初始化。在映射计算前需将4.1节中计算得到的模型参数输入到2.2节标定的材料卡片中并设定对应的映射模块参数，具体卡片设置可参考CrachFEM使用手册。映射的框架流程以及卡片设置如下：

Figure 9. workflow of HPDC-AL mapping to crash and CrachFEM card

图9. 高压铸造铝合金工艺映射流程图和CrachFEM卡片

采用常见的四面体单元建立3.1节中的回型件切样的ls-dyna有限元模型，并将3.2节中Flow3D输出的信息映射到有限元模型上。这里要注意的是，大部分工艺分析软件只能输出一些特殊格式的数据信息，匹配求解器和材料卡片格式的映射文件目前还需要使用者编写脚本进行格式的转换。这里以4mm*8mm旋臂上5个测试点的三点弯曲为例进行了模拟分析，计算结果显示采用4.1节的映射方法可以得到贴合实际实验的计算结果，材料卡片以及工艺映射可以较为准确地反映真实零件的性能分布情况。

Figure 10. ls-dyna 3pb model with HPDC-AL properties mapped and results

图10. 带工艺映射的高压铸造铝合三点弯曲有限元模型及计算结果

本文研究了一种考虑铸造工艺与材料机械性能对应关系，并映射到有限元模型中的模拟方法和分析流程。并基于真实材料和零件进行了从材料实验、基础卡片开发、工艺到性能映射关系确立到有限元验证的完整工作流的分析工作。总体结论如下：

1） 本文提出的工艺映射分析模拟方法和流程能显著提高一体压铸材料模拟的准确性；

2） CrachFEM的工艺映射接口可以便捷地应用于一体压铸零件的模拟，有很好的泛用性；

除此之外，在本文涉及的应用仅为尺寸中等的回型零件，笔者后续将进行实车零部件级别的实验和模拟分析，以验证本文提出的方法在整车级别分析的可靠性和准确性。