高強鋼軋制變厚度板熱沖壓成形破裂預(yù)測及其回彈研究結(jié)題摘要

由于高強鋼TRB熱沖壓件具有較好的減重優(yōu)勢，在汽車輕量化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。通過Gleeble3500熱拉伸試驗機在不同溫度和應(yīng)變速率下對不同厚度的B1500HS鋼板進行不同應(yīng)變形式下的應(yīng)力應(yīng)變曲線測定，并基于曲線擬合建立高強鋼TRB材料本構(gòu)關(guān)系模型；同時利用混合法在Lemaitre韌性斷裂準則的基礎(chǔ)上獲得了適用于高強鋼熱成形的韌性斷裂準則。然后，通過二次開發(fā)將其應(yīng)用于高強鋼TRB熱沖壓成形過程的破裂預(yù)測。 為了研究高強鋼TRB熱沖壓件的回彈規(guī)律，設(shè)計了高強鋼TRB熱沖壓模具，并進行了高強鋼TRB熱沖壓過程仿真分析。通過數(shù)值模擬和試驗研究，獲得了工藝參數(shù)對高強鋼TRB熱沖壓成形回彈的影響規(guī)律，驗證了設(shè)計的高強鋼TRB熱沖壓模具滿足成形件的性能要求，并獲得了高強鋼TRB熱沖壓合適的工藝參數(shù)。高強鋼TRB熱沖壓成形技術(shù)研究為高強鋼TRB在汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)且對生產(chǎn)實踐具有指導(dǎo)意義。 2100433B

對現(xiàn)代汽車提出節(jié)能減排和安全性的雙重要求，使汽車輕量化的目標也越來越高。高強鋼軋制變厚度板（TRB）熱沖壓件具有突出的減重優(yōu)勢，將會在現(xiàn)代汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 TRB的變截面使得以往基于等截面的力學以及熱沖壓成形理論無法適用，其冷成形的相關(guān)理論在熱沖壓成形時亦不能適用。本研究擬采用Gleeble3500熱模擬試驗機進行高強鋼TRB等溫拉伸實驗，建立其高溫下的本構(gòu)關(guān)系，基于Lemaitre損傷理論建立其熱成形韌性斷裂準則。通過理論分析、數(shù)值模擬和工藝試驗相結(jié)合的方法深入研究高強鋼TRB汽車B柱熱沖壓成形破裂機理和工藝參數(shù)對其熱沖壓成形回彈的影響規(guī)律，并研究其回彈補償機制。通過該項目的研究，探索高強鋼TRB的熱沖壓成形性能及其熱沖壓模具的設(shè)計理論，為高強鋼TRB熱沖壓件在現(xiàn)代汽車領(lǐng)域的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。對于國產(chǎn)板材的開發(fā)利用、提高國產(chǎn)板材的市場競爭力、振興鋼鐵和汽車工業(yè)，具有重要戰(zhàn)略意義。

邊緣破裂是金屬板料沖壓成形中一類常見的破裂現(xiàn)象。破裂邊緣應(yīng)力狀態(tài)與單拉應(yīng)力狀態(tài)相似，但其極限應(yīng)變并不與單拉應(yīng)變極值相符。成形極限圖對于大多數(shù)成形工藝都是適用的，但并不足以預(yù)測潛在的邊緣破裂。對于第一代先進高強鋼，已有的研究成果從工藝參數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)方面實驗觀察了對擴孔率的影響，但并未明確其機理，也并未建立相關(guān)聯(lián)的預(yù)測準則；對于第三代先進高強鋼邊緣斷裂問題的研究尚未開展。本課題從微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)入手，研究先進高強鋼邊緣斷裂的誘發(fā)機理，分析材料性能參數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)、斷面質(zhì)量、工藝參數(shù)、幾何特征參數(shù)以及加載路徑對邊緣破裂的影響，觀察溫度、導(dǎo)熱性、應(yīng)變速率、預(yù)變形對受剪切變形影響區(qū)域材料微觀結(jié)構(gòu)的影響，提煉對邊緣拉伸變形性能具有決定性影響因素的參數(shù),基于連續(xù)介質(zhì)力學建立先進高強鋼邊緣破裂的預(yù)測判據(jù)并與CAE軟件相結(jié)合形成成形極限補充判據(jù)。研究成果將有助于闡明邊緣破裂的產(chǎn)生機理，提高其數(shù)值模擬預(yù)測精度。

本項目針對邊緣破裂問題開展了一系列的實驗和理論研究，通過進行單向拉伸、沖孔、擴孔和脹形實驗，對各工藝下破裂試樣的斷口形貌進行觀察，分析了先進高強鋼成形過程中破裂的類型及特征，定性及定量比較了不同材料在相同工藝條件下、同種材料在不同工藝條件下的斷口形貌差異，以期進一步了解破裂的機理與規(guī)律；通過進行預(yù)變形、擴孔和高溫單拉實驗，探究預(yù)變形、曲率半徑和沖裁熱效應(yīng)對高強鋼邊緣拉伸性能的影響；針對先進高強鋼的邊緣破裂提出了新的預(yù)測模型，可以改善傳統(tǒng)理想模型無法準確預(yù)測邊緣破裂的問題。主要研究成果如下： （1）單向拉伸試驗中DP590、DP780、DP980的斷裂模式為韌窩型韌性斷裂，MS1180和MS1300的斷裂模式為介于韌窩斷裂和解理斷裂之間的準解理型斷裂。沖孔實驗中DP鋼隨著強度級別的升高，斷裂帶越來越光滑；對于MS1180和MS1300，斷裂帶由非常細小的拉裂韌窩組成，MS1180平均韌窩直徑大約1.6μm，MS1300平均韌窩直徑大約1.2μm。擴孔實驗中五種高強鋼破裂模式均為韌窩型韌性斷裂，隨著鋼板強度級別的升高，平均韌窩直徑減小，韌窩密度先增大后減小。在脹形實驗中，DP780和DP980的斷裂模式均為韌窩型韌性斷裂。 （2）預(yù)變形導(dǎo)致的加工硬化會明顯影響板料邊緣的拉伸性能，且預(yù)變形量越大邊緣拉伸性能越差。3%-9%的預(yù)變形量使DP780擴孔率下降約6%-12%； 0°方向3%-9%的預(yù)變形量使DP980擴孔率下降約5%-11%；90°方向預(yù)拉伸對DP980擴孔率的影響較小，擴孔率下降了約3%。 （3）對同種材料，邊緣的曲率半徑越小，拉伸性能越差。DP780孔徑為15mm的擴孔率比孔徑為9mm的擴孔率高5.09%；DP980孔徑為15mm的擴孔率比孔徑為9mm的擴孔率高6.26%。此外，DP980邊緣成形性能對曲率變化的敏感程度要大于DP780。 （4）沖裁變形區(qū)的溫度變化對薄板沖裁斷面質(zhì)量影響較小。 （5）基于M-K模型和Hill頸縮理論建立了新的有限元模型，適用于考慮沖裁損傷的邊緣成形極限預(yù)測。通過沖孔和擴孔實驗驗證了新模型在預(yù)測邊緣成形性能方面的優(yōu)越性。 （6）引入法向應(yīng)力，與M-K理論相結(jié)合，獲得了能考慮法向應(yīng)力影響的成形極限模型，法向應(yīng)力提高應(yīng)力和應(yīng)變空間內(nèi)描述的材料的成形極限，雙線性應(yīng)變路徑下法向應(yīng)力的作用階段對材料的成形極限有顯著的影響。 2100433B

系統(tǒng)研究具有減振、降噪特性的復(fù)合減振鋼板(Sandwich Sheet Metal)拉深成形過程三層材料(兩側(cè)為金屬板，中間為非金屬連接材料)的變形機制和各種缺陷的演化機理，根據(jù)試驗結(jié)果研究建立適用于減振鋼板拉深成形過程的界面連接與接觸模型、起皺分離模型、成形極限圖和回彈預(yù)測方法，實現(xiàn)對減振鋼板成形過程的數(shù)值模擬。通過與試驗結(jié)果比較和改進，使提出的計算模型可準確模擬減振鋼板拉深等沖壓成形工藝。利用基于物理實驗和數(shù)值模擬的靈敏度分析方法，揭示材料性能和關(guān)鍵工藝參數(shù)對減振鋼板成形質(zhì)量的影響規(guī)律,并建立缺陷控制的方法。研究成果將對控制減振鋼板的沖壓成形質(zhì)量，進一步擴大減振鋼板在制造業(yè)的應(yīng)用范圍，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。