高強鋼軋制變厚度板熱沖壓成形破裂預測及其回彈研究項目摘要

對現代汽車提出節(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，將會在現代汽車領域得到廣泛應用。 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關系，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、數值模擬和工藝試驗相結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計理論，為高強鋼TRB熱沖壓件在現代汽車領域的應用奠定理論基礎。對于國產板材的開發(fā)利用、提高國產板材的市場競爭力、振興鋼鐵和汽車工業(yè)，具有重要戰(zhàn)略意義。

由于高強鋼TRB熱沖壓件具有較好的減重優(yōu)勢，在汽車輕量化領域具有廣泛的應用前景。通過Gleeble3500熱拉伸試驗機在不同溫度和應變速率下對不同厚度的B1500HS鋼板進行不同應變形式下的應力應變曲線測定，并基于曲線擬合建立高強鋼TRB材料本構關系模型；同時利用混合法在Lemaitre韌性斷裂準則的基礎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)將其應用于高強鋼TRB熱沖壓成形過程的破裂預測。 為了研究高強鋼TRB熱沖壓件的回彈規(guī)律，設計了高強鋼TRB熱沖壓模具，并進行了高強鋼TRB熱沖壓過程仿真分析。通過數值模擬和試驗研究，獲得了工藝參數對高強鋼TRB熱沖壓成形回彈的影響規(guī)律，驗證了設計的高強鋼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。高強鋼TRB熱沖壓成形技術研究為高強鋼TRB在汽車輕量化領域的應用奠定了理論基礎且對生產實踐具有指導意義。 2100433B

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

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；通過進行預變形、擴孔和高溫單拉實驗，探究預變形、曲率半徑和沖裁熱效應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測模型，可以改善傳統(tǒng)理想模型無法準確預測邊緣破裂的問題。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）預變形導致的加工硬化會明顯影響板料邊緣的拉伸性能，且預變形量越大邊緣拉伸性能越差。3%-9%的預變形量使DP780擴孔率下降約6%-12%； 0°方向3%-9%的預變形量使DP980擴孔率下降約5%-11%；90°方向預拉伸對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測。通過沖孔和擴孔實驗驗證了新模型在預測邊緣成形性能方面的優(yōu)越性。 （6）引入法向應力，與M-K理論相結合，獲得了能考慮法向應力影響的成形極限模型，法向應力提高應力和應變空間內描述的材料的成形極限，雙線性應變路徑下法向應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、降噪特性的復合減振鋼板(Sandwich Sheet Metal)拉深成形過程三層材料(兩側為金屬板，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，根據試驗結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測方法，實現對減振鋼板成形過程的數值模擬。通過與試驗結果比較和改進，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值模擬的靈敏度分析方法，揭示材料性能和關鍵工藝參數對減振鋼板成形質量的影響規(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量，進一步擴大減振鋼板在制造業(yè)的應用范圍，具有重要的理論意義和應用價值。