考慮成形歷史的高強(qiáng)度鋼沖壓邊緣破裂模型研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.pdf

1、金屬板料成形技術(shù)是重要的近凈成形制造技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)等領(lǐng)域。環(huán)境保護(hù)和燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)汽車工業(yè)提出了輕量化的要求，因而高強(qiáng)度和高硬度的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板材在汽車工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。
　　先進(jìn)高強(qiáng)鋼邊緣破裂（Edge cracking）是制約其應(yīng)用的典型問題。同時(shí)，沖切等分離工序，也會(huì)對(duì)后續(xù)的邊緣變形產(chǎn)生不可忽視的影響。本文采用理論分析、數(shù)值仿真和擴(kuò)孔、拉伸翻邊實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地研究了考慮沖裁歷史的邊緣拉伸失效現(xiàn)象，并

2、探討了材料的力學(xué)性能和邊緣幾何形狀等因素對(duì)包含初始損傷的邊緣拉伸性能效果的影響規(guī)律。研究取得了如下成果：
　　針對(duì)三維體單元模擬效率低的問題，基于殼單元模型建立了考慮沖裁歷史影響的擴(kuò)孔模擬方法，提高了模擬效率。采用改進(jìn)的韌性斷裂準(zhǔn)則閾值計(jì)算方法計(jì)算Oyane準(zhǔn)則的閾值。利用ABAQUS/Explicit軟件，基于二維軸對(duì)稱模型實(shí)現(xiàn)先沖裁后擴(kuò)孔的全過程模擬研究。電鏡觀察沖裁斷面結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了Oyane準(zhǔn)則的適用性?；?/p>

3、于沖裁過程的模擬結(jié)果，將板料的殘余損傷值先后嵌入基于二維軸對(duì)稱模型和三維殼單元建立的模型中，實(shí)現(xiàn)了考慮沖裁歷史的數(shù)值模擬。
　　針對(duì)變形歷史對(duì)邊緣破裂的影響，建立了一套評(píng)價(jià)包含初始損傷的邊緣拉伸成形效果的分析方法?；贛-K理論中引入損傷的方法和Hill局部縮頸理論，通過擴(kuò)孔模擬提出了評(píng)價(jià)初始損傷對(duì)材料邊緣拉伸成形能力影響的指標(biāo)—等效失效應(yīng)變比率EFSR（Effective Failure Strain Ratio）。通過比較不同

4、初始損傷條件下邊緣處的最大周向應(yīng)變，獲得了實(shí)際邊緣拉伸成形的等效應(yīng)變與理論單向拉伸失效應(yīng)變的比率，定量分析了邊緣損傷程度對(duì)邊緣拉伸成形效果的影響。以該方法為基礎(chǔ)，可以研究各種材料的力學(xué)性能與工藝參數(shù)等因素對(duì)存在初始損傷的邊緣成形效果的影響規(guī)律。基于EFSR分析方法，揭示了先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的硬化指數(shù)對(duì)有損傷的邊緣拉伸成形效果的影響規(guī)律。利用ABAQUS/Standard軟件，采用兩種具有類似微觀組織的先進(jìn)高強(qiáng)鋼材料—DP780和DP980進(jìn)行

5、模擬，并通過相同工況的實(shí)驗(yàn)，對(duì)模擬結(jié)果的推論進(jìn)行了驗(yàn)證。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：硬化指數(shù)較大時(shí)，邊緣拉伸成形效果對(duì)邊緣損傷的敏感性更大。
　　基于EFSR分析方法，進(jìn)一步揭示了先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的面內(nèi)各向異性對(duì)存在初始損傷的邊緣拉伸成形效果的影響規(guī)律。利用Hill48屈服準(zhǔn)則，基于橫向各向異性（Transverse anisotropy）假設(shè)，系統(tǒng)地分析了板料面內(nèi)各向異性情況以及損傷區(qū)域與軋制方向的夾角等因素對(duì)板料邊緣拉伸成形效果的影響。同時(shí)，通

6、過設(shè)置多個(gè)損傷區(qū)域，首次考察了擴(kuò)孔成形時(shí)，邊緣上各處損傷隨加載過程演化的獨(dú)立性。針對(duì)擴(kuò)孔破裂位置的規(guī)律，基于數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的驗(yàn)證，討論了擴(kuò)孔時(shí)破裂最容易產(chǎn)生的方向。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在存在橫向各向異性的條件下，塑性應(yīng)變比最小的方向是擴(kuò)孔時(shí)最容易產(chǎn)生破裂的方向，數(shù)值計(jì)算的有效性也得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　針對(duì)邊緣形狀對(duì)拉伸失效的影響，基于邊緣最大周向應(yīng)變，建立了評(píng)價(jià)不規(guī)則形狀邊緣拉伸變形時(shí)應(yīng)變集中程度的分析方法，首次系統(tǒng)地分析了邊緣曲

7、率變化率以及邊緣封閉或開放對(duì)邊緣拉伸成形效果的影響。基于橢圓中心孔的擴(kuò)孔模擬，提出了評(píng)價(jià)在不規(guī)則邊緣內(nèi)的拉伸變形集中的指標(biāo)—應(yīng)變集中烈度指數(shù)SLII（Strain Localization Intensity Index）。通過實(shí)驗(yàn)考察了不同曲率變化率的橢圓中心孔擴(kuò)孔和拉伸翻邊的成形效果，并借助SLII指數(shù)，分析了曲率變化率導(dǎo)致的加載過程中的應(yīng)變集中情況。通過相同曲率變化率下的擴(kuò)孔與拉伸翻邊的對(duì)比，揭示了邊緣是否封閉對(duì)邊緣拉伸成形效果的

8、影響規(guī)律。分析發(fā)現(xiàn)：隨著曲率變化率的增大，材料整體成形效果變差，常規(guī)表征材料邊緣拉伸成形能力的指標(biāo)，如擴(kuò)孔率和極限翻邊高度等，均會(huì)有下降的趨勢(shì)，并且在中心孔離心率大于0.5時(shí)，下降速度成倍提高。開放式的邊緣比封閉式的邊緣在拉伸變形時(shí)，變形集中的程度更大，差異在3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
　　本文的研究表明：所提出的基于三維殼單元的模擬方法考慮成形歷史的擴(kuò)孔模擬，既提高了模擬效率，還兼顧了模擬精度；基于EFSR分析方法成功預(yù)測(cè)了存在初始損傷的