汽车制动钳多材料断裂性能校准：基于虚拟路径生成的Hosford-Coulomb模型应用

本研究针对汽车制动钳等复杂几何构件难以通过标准试样获取准确断裂参数的难题，提出了一种结合实验与数值模拟的混合校准策略。研究人员通过从制动钳各部件直接提取非标准试样进行拉伸与V型弯曲测试，并利用数字图像相关技术测量应变；对于几何受限材料，创新性地采用基于Rice-Tracey模型的虚拟路径生成方法，成功校准了Hosford-Coulomb断裂模型的参数。该框架实现了在缺乏多样化断裂试样的情况下，直接从部件层面进行可靠的断裂参数标定，为汽车安全关键部件的数字化建模与性能优化提供了可扩展的工具，显著提升了结构可靠性预测的精度。

　　

在汽车工业追求轻量化与安全性能双重目标的驱动下，准确预测关键部件（如制动钳）在复杂载荷下的断裂行为至关重要。然而，现实挑战在于，许多汽车部件经过锻造或铸造后，其几何形状复杂且存在预应变历史，导致难以制备标准的平板或棒状试样来获取材料的塑性和断裂属性。传统的拉伸或断裂韧性测试方法在此类部件上往往失效，因为无法从具有曲面或边缘的实体部件上获取理想的扁平试样。更棘手的是，即使能在特定区域进行测试，所得的材料属性是否能代表整个部件的性能也存疑。这种材料表征的局限性直接影响了基于计算机辅助工程的结构仿真可靠性，使得在产品设计初期难以精准预测部件在实际使用中的失效风险。

为了突破这一瓶颈，由Seojun Hong、Jinwoo Lee、Joonseok Kyeong、Jung Yun Won、Woo Jeong Oh和Myoung-Gyu Lee组成的研究团队，在《Materials Reports: Energy》上发表了一项研究，旨在为汽车制动钳建立一套直接适用于结构设计与性能评估的材料与断裂模型校准方法。制动钳在盘式制动系统中扮演着关键角色，它通过刹车片对转子两侧施加夹紧力以产生制动力矩。以往研究多关注刹车片的摩擦学行为，而对钳体本身材料性能的系统表征相对缺乏。本研究创新性地从商用制动钳的不同部位直接提取试样，针对七种不同材料，开展了一系列力学测试，并结合数值模拟，最终为部件级的断裂评估提供了可推广的框架。

研究人员为开展此项研究，主要应用了以下几项关键技术方法：首先，利用数字图像相关技术进行非接触式全场应变测量，确保了非标准试样变形数据的准确性。其次，对于能够制备标准试样的材料，采用实验-数值混合法，通过有限元分析获取断裂点的应力应变历史。第三，对于几何形状严重受限无法获得足够数量断裂试样的材料，引入了基于Rice-Tracey模型的虚拟路径生成方法，通过构建虚拟的变形历史来补充缺失的应力状态数据。第四，对于线材形态的材料，采用V型弯曲实验并结合有限元模型更新反演法来获取其塑性属性。所有有限元分析均使用ABAQUS软件并结合用户自定义材料子程序实现。

2. 实验方法

研究首先从商用制动钳的七个不同部件（包括垫片背板、桥接螺栓、排气螺钉、钳体内外体、导向销和夹销）提取材料。根据部件的几何形状，分别设计了板状和棒状的塑性及断裂性能测试试样。对于板状材料，采用了简单拉伸、中心孔、缺口和剪切等试样构型；对于棒状材料，则设计了不同缺口半径的缺口拉伸试样。所有拉伸测试均利用数字图像相关技术配合虚拟引伸计进行位移测量。对于无法制备常规拉伸试样的线材，研究采用了符合VDA 238-100标准的V型弯曲实验，并通过逆分析来获取材料属性。

3. 数值模拟

在数值建模方面，研究采用了各向同性的von Mises屈服准则结合Swift-Voce混合硬化定律来描述材料的塑性行为。对于断裂建模，选用了包含三个参数的Hosford-Coulomb模型作为高级断裂模型。校准过程分为两种策略：对于有足够多样本构型的材料，采用传统的基于断裂应变或损伤指示器的成本函数进行优化；对于试样受限的材料，则先利用参数较少的Rice-Tracey模型作为基础模型进行初步拟合，再通过虚拟路径生成方法构建虚拟的应力应变路径，进而校准Hosford-Coulomb模型的参数。

4. 结果与讨论

4.1. 塑性模型校准

通过单轴拉伸试验获得了除Material 7外所有材料的应力-应变曲线，并确定了相应的Swift-Voce硬化参数。结果显示，由于部件制造过程中的预锻造变形，大部分材料在均匀伸长阶段的等效塑性应变均小于0.1。对于Material 7，通过V型弯曲实验的有限元模型更新反演法成功获得了其Voce硬化曲线参数。

4.2. 断裂测试预测

比较了实验与模拟获得的载荷-位移曲线。对于板状试样，模拟与实验载荷之间存在近乎恒定的偏移，提示采用更复杂的各向异性屈服函数可能改善预测精度。对于棒状缺口试样，大部分材料表现出良好的相关性，但Material 3的NTR8试样出现明显偏差，DIC测量的横向对数应变云图对比揭示了各向异性行为，而各向同性的von Mises模型未能充分捕捉。

4.3. 韧性断裂建模

通过混合实验-数值方法获得了关键点的等效塑性应变-应力三轴性历史。研究发现，对于某些材料，即使使用不同缺口半径的试样，其断裂起始点的应力状态也极为相似，这给Hosford-Coulomb模型的三参数优化带来了唯一性问题。针对此类材料以及试样制备受限的材料，应用虚拟路径生成方法成功校准了Hosford-Coulomb参数。研究比较了基于断裂应变和基于损伤指示器两种成本函数对优化结果的影响。

4.4. 韧性断裂模型在单轴拉伸试样中的应用

将校准后的Hosford-Coulomb模型应用于单轴拉伸试样的断裂位移预测，以验证其有效性。结果表明，对于拥有三个及以上不同应力状态断裂试样的材料，传统校准方法能给出与实验值误差在±10%以内的预测。而对于试样受限的材料，虚拟路径生成方法显著改善了预测精度，特别是基于损伤指示器的成本函数在多数情况下表现更稳健，而基于断裂应变的成本函数对高韧性材料的预测更优。

5. 结论

本研究成功建立了一套针对汽车制动钳多材料体系的塑性与断裂性能校准方法学。研究表明，当具备足够多样化的断裂试样时，传统校准方法可提供可靠的预测。对于几何形状受限的材料，基于Rice-Tracey模型的虚拟路径生成方法是一种有效的替代方案，能够稳定地校准Hosford-Coulomb参数。参数分析表明，虚拟路径生成法校准的Hosford-Coulomb模型的参数‘a’会收敛于特定值，而参数‘c’则稳定在Material 1的10倍左右。通过单轴拉伸和V型弯曲实验验证了校准模型的预测能力。该研究框架弥合了材料表征与结构应用之间的差距，为汽车安全部件的数字化孪生建模和基于性能的设计优化提供了可扩展且实用的工具。未来工作将包括在可行材料上进行多轴验证试验，以进一步巩固模型的校准结果并拓宽其应用范围。

综上所述，这项研究不仅为解决汽车复杂部件材料性能表征难题提供了切实可行的技术路线，而且其提出的虚拟路径生成理念对于其他工程领域面临类似挑战的材料模型校准也具有重要的借鉴意义。通过将先进的材料模型与面向应用的设计需求紧密联系起来，该研究有力地推动了数字化设计工具在提升汽车部件可靠性与性能方面的应用深度。