先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板沖壓成形邊緣破裂機(jī)理和預(yù)測(cè)模型研究

本項(xiàng)目針對(duì)邊緣破裂問(wèn)題開(kāi)展了一系列的實(shí)驗(yàn)和理論研究，通過(guò)進(jìn)行單向拉伸、沖孔、擴(kuò)孔和脹形實(shí)驗(yàn)，對(duì)各工藝下破裂試樣的斷口形貌進(jìn)行觀察，分析了先進(jìn)高強(qiáng)鋼成形過(guò)程中破裂的類(lèi)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(jìn)一步了解破裂的機(jī)理與規(guī)律；通過(guò)進(jìn)行預(yù)變形、擴(kuò)孔和高溫單拉實(shí)驗(yàn)，探究預(yù)變形、曲率半徑和沖裁熱效應(yīng)對(duì)高強(qiáng)鋼邊緣拉伸性能的影響；針對(duì)先進(jìn)高強(qiáng)鋼的邊緣破裂提出了新的預(yù)測(cè)模型，可以改善傳統(tǒng)理想模型無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)邊緣破裂的問(wèn)題。主要研究成果如下： （1）單向拉伸試驗(yàn)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(zhǔn)解理型斷裂。沖孔實(shí)驗(yàn)中DP鋼隨著強(qiáng)度級(jí)別的升高，斷裂帶越來(lái)越光滑；對(duì)于MS1180和MS1300，斷裂帶由非常細(xì)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(kuò)孔實(shí)驗(yàn)中五種高強(qiáng)鋼破裂模式均為韌窩型韌性斷裂，隨著鋼板強(qiáng)度級(jí)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(shí)驗(yàn)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(huì)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(kuò)孔率下降約6%-12%； 0°方向3%-9%的預(yù)變形量使DP980擴(kuò)孔率下降約5%-11%；90°方向預(yù)拉伸對(duì)DP980擴(kuò)孔率的影響較小，擴(kuò)孔率下降了約3%。 （3）對(duì)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(kuò)孔率比孔徑為9mm的擴(kuò)孔率高5.09%；DP980孔徑為15mm的擴(kuò)孔率比孔徑為9mm的擴(kuò)孔率高6.26%。此外，DP980邊緣成形性能對(duì)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(duì)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(cè)。通過(guò)沖孔和擴(kuò)孔實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新模型在預(yù)測(cè)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(duì)材料的成形極限有顯著的影響。 2100433B

邊緣破裂是金屬板料沖壓成形中一類(lèi)常見(jiàn)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(duì)于大多數(shù)成形工藝都是適用的，但并不足以預(yù)測(cè)潛在的邊緣破裂。對(duì)于第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼，已有的研究成果從工藝參數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)方面實(shí)驗(yàn)觀察了對(duì)擴(kuò)孔率的影響，但并未明確其機(jī)理，也并未建立相關(guān)聯(lián)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)則；對(duì)于第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼邊緣斷裂問(wèn)題的研究尚未開(kāi)展。本課題從微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)入手，研究先進(jìn)高強(qiáng)鋼邊緣斷裂的誘發(fā)機(jī)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(duì)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(duì)受剪切變形影響區(qū)域材料微觀結(jié)構(gòu)的影響，提煉對(duì)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(xué)建立先進(jìn)高強(qiáng)鋼邊緣破裂的預(yù)測(cè)判據(jù)并與CAE軟件相結(jié)合形成成形極限補(bǔ)充判據(jù)。研究成果將有助于闡明邊緣破裂的產(chǎn)生機(jī)理，提高其數(shù)值模擬預(yù)測(cè)精度。

車(chē)身外覆蓋件出現(xiàn)表面鼓包問(wèn)題會(huì)顯著降低沖壓件表面質(zhì)量。采用高強(qiáng)度鋼的車(chē)身零件后表面鼓包質(zhì)量問(wèn)題更加突出。沖壓、裝配、烘烤過(guò)程中都可能出現(xiàn)表面鼓包問(wèn)題?，F(xiàn)在還沒(méi)有預(yù)示沖壓零件表面鼓包位置和風(fēng)險(xiǎn)的方法。本項(xiàng)目擬研究高強(qiáng)度鋼沖壓零件表面鼓包發(fā)生機(jī)理和預(yù)示方法，用于分析零件沖壓、裝配或烘烤后零件發(fā)生鼓包的位置及其風(fēng)險(xiǎn)。首先需要采用試驗(yàn)研究，分析表面鼓包發(fā)生的機(jī)理，取得各種預(yù)應(yīng)變下材料發(fā)生起皺的極限應(yīng)力；然后，建立起皺極限應(yīng)力的數(shù)學(xué)分析模型，在該模型中考慮零件的幾何形狀、預(yù)應(yīng)變、平面雙向應(yīng)力比值和材料力學(xué)性能等。其次，基于該數(shù)學(xué)分析模型，提出一種高強(qiáng)度鋼沖壓零件表面鼓包的預(yù)測(cè)方法。最后，對(duì)提出方法進(jìn)行驗(yàn)證，并預(yù)測(cè)裝配、烘烤后出現(xiàn)表面鼓包的部位和風(fēng)險(xiǎn)。如果本項(xiàng)目研究成功，將可以指導(dǎo)高強(qiáng)度鋼車(chē)身零件的幾何型面設(shè)計(jì)、沖壓工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)，還可對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)等有一定的指導(dǎo)意義。

對(duì)現(xiàn)代汽車(chē)提出節(jié)能減排和安全性的雙重要求，使汽車(chē)輕量化的目標(biāo)也越來(lái)越高。高強(qiáng)鋼軋制變厚度板（TRB）熱沖壓件具有突出的減重優(yōu)勢(shì)，將會(huì)在現(xiàn)代汽車(chē)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(xué)以及熱沖壓成形理論無(wú)法適用，其冷成形的相關(guān)理論在熱沖壓成形時(shí)亦不能適用。本研究擬采用Gleeble3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高強(qiáng)鋼TRB等溫拉伸實(shí)驗(yàn)，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(zhǔn)則。通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和工藝試驗(yàn)相結(jié)合的方法深入研究高強(qiáng)鋼TRB汽車(chē)B柱熱沖壓成形破裂機(jī)理和工藝參數(shù)對(duì)其熱沖壓成形回彈的影響規(guī)律，并研究其回彈補(bǔ)償機(jī)制。通過(guò)該項(xiàng)目的研究，探索高強(qiáng)鋼TRB的熱沖壓成形性能及其熱沖壓模具的設(shè)計(jì)理論，為高強(qiáng)鋼TRB熱沖壓件在現(xiàn)代汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。對(duì)于國(guó)產(chǎn)板材的開(kāi)發(fā)利用、提高國(guó)產(chǎn)板材的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、振興鋼鐵和汽車(chē)工業(yè)，具有重要戰(zhàn)略意義。

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(guò)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(jī)制和各種缺陷的演化機(jī)理，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果研究建立適用于減振鋼板拉深成形過(guò)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(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)減振鋼板成形過(guò)程的數(shù)值模擬。通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果比較和改進(jìn)，使提出的計(jì)算模型可準(zhǔn)確模擬減振鋼板拉深等沖壓成形工藝。利用基于物理實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)控制減振鋼板的沖壓成形質(zhì)量，進(jìn)一步擴(kuò)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(jià)值。