铝合金板材成形性的数值模拟和试验研究

发布时间：2020-08-08 07:21

【摘要】：随着社会的高速发展,汽车的用量将会越来越多,伴随着汽车拥有量的与日剧增,同时带来了一些严重的负面影响,诸如安全、污染、资源等一系列社会问题。汽车工业现如今正面临着严峻的挑战,使汽车工业的重心向着轻量化的方向迈进。铝合金具有优良的力学性能、较好的成形性、丰富的资源等优点是实现汽车轻量化最理想的材料。研究表明,汽车每使用1kg铝,重量可降低2.25kg,减重效应高达125%,而汽车自身质量每减重10%,燃料消耗可减少6%,一氧化碳、二氧化碳等污染气体的排放量可降低4%。如果承受同样的冲击,铝材比钢材可以多吸收50%的冲击能,安全性能更高。钢铁在汽车上的用量的比例在逐年减少,而铝材的比例在逐年增加。虽如此,铝合金用于汽车生产的冲压工艺缺乏系统、深入的研究,阻碍了铝合金在汽车上的应用,因而铝合金成形性的数值模拟与试验研究对铝合金在汽车生产的实际应用具有重要的指导意义。本文针对6016-T4P铝合金,以板材弹塑性与失稳理论为基础,以板材成形非线性有限元软件DYNAFORM为平台,对铝合金板材的成形极限和冲压成形过程进行模拟,分析影响铝合金板材成形质量的因素。首先建立了 6016铝合金板材成形极限的有限元模型并进行了模拟,结合单向拉伸试验与半球形刚模胀形试验,将模拟结果与试验结果进行了对比,分析了本构方程、屈服准则及摩擦系数对铝合金板材成形极限的影响。其次,基于汽车横梁的有限元模拟,研究了压边力、冲压速度、拉延筋参数和布置方式对铝合金板材成形质量的影响。研究结果表明:(1)Hollomon,Power和Voce三种本构方程均可以预测铝合金板材的成形极限,并且相比Power与Hollomon,Voce本构方程能够更精确地预测铝合金板材的成形极限。(2)Barlat89屈服准则与Hill48屈服准则都可以预测铝合金板材的成形极限,并且Barlat89屈服准则比Hill48能够更精确地预测铝合金板材的成形极限。(3)摩擦系数的大小对铝合金板材成形极限有着一定的影响,成形极限随着摩擦系数的增大而逐渐增大,并且对FLD双拉区域的影响比拉压区域的大。(4)调节压边力的大小能够有效的控制零件的成形质量,压边力大,材料向凹模流动困难,零件起皱的区域可以得到缓解。压边力小,材料向凹模流动容易,零件破裂的区域可以得到改善,但单纯的依靠控制压边力的大小改善不了零件复杂区域的成形质量。(5)冲压速度不同板材成形时的应变速率不同,从而影响板材的成形质量。冲压速度越大,零件的最大减薄率逐渐降低并且降低趋势越来越小,当模拟的冲压速度增大到4000mm/s时,零件的最大减薄率不再降低反而逐渐增大。(6)拉延筋的凸筋圆角半径、凹模圆角半径、筋间距与零件的最大减薄率成反比,即随着半径或筋间距增大零件的最大减薄率逐渐减小;拉延筋高度与零件最大减薄率成正比,即随着高度增大零件的最大减薄率逐渐增大。(7)不同的拉延筋布置方式对零件的成形质量有着显著的影响,因而,要得到理想的模拟结果需要合理地布置拉延筋。
【学位授予单位】：大连交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.21
【图文】：

汽车用材

逡逑图１．２为世界汽车工业汽车用材的组成比例，经过三十多年的研究与发展，汽车的重逡逑量减少了４００ｋｇ，可见轻量化己成为汽车工业发展的主要趋势，并且钢铁在汽车上的用逡逑量在逐年减少，铝材的比例在逐年增加。近十年来，欧洲、美国及日本等发达国家汽车逡逑上铝材的用量由１２７ｋｇ每辆增长至３００ｋｇ每辆。有关专家指出，无论是汽车的外板还是内逡逑板，未来汽车上的零件均有可能用铝合金生产，并且铝合金在汽车上的用量会越来越多，逡逑在保证结构强度与刚性的同时，铝合金生产的汽车零件有可能比塑料还轻。铝合金将替逡逑代钢铁成为未来汽车的主要材料［７，８］。逡逑８０逦６９逡逑７０逦＿逦５８逡逑＾逦Ｉ逦Ｉ逡逑３０逦Ｉ逦■逦１２３逡逑１９８０年１５２０ｋｇ逦１９９０年１４００ｋｇ逦２０００年１２２５ｋｇ逦２０１０年１１００ｋｇ逡逑■钢铁■铝材■非金属＊其他逡逑图１．２汽车用材组成比例逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ逡逑１．２铝合金的简介逡逑１．２．１铝及铝合金逡逑铝元素是由丹麦物理学家Ｈ．Ｃ．奥尔斯德（Ｈ．Ｃ．Ｏｅｒｓｔｅｄ）于１８５２年发现的，他在进行逡逑氯化铝和钾汞齐交互试验时得到了铝汞齐

铝合金,合金

金具有良好的力学特性，较好的加工成形性，能够在不同的应力状态下成形，常用于生逡逑产汽车冲压件及覆盖件。逡逑根据加入合金元素的种类和含量占比可以得到不同的铝合金。图１．３为铝及铝合金的逡逑分类。铝合金可分为热处理化铝合金和非热处理化铝合金两大类。按照铝合金合金元素逡逑含量又可分为：工业纯锦（ｌｘｘｘ系）、Ａｌ－Ｃｕ合金（２ｘｘｘ系）、Ａｌ－Ｍｎ合金（３？ｃｘｘ系）、Ａｌ－Ｓｉ合金逡逑（４ｘｘｘ系）、Ａｌ－Ｍｇ合金（５ｘｘｘ系）、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ合金（６ｘｘｘ系）、Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ合金（７ｘｘｘ系）、Ａ１－逡逑Ｌｉ合金（８ｘｘｘ系）。逡逑３逡逑

曲线,弹塑性,曲线,外载荷

第二章板料成形理论逡逑２．１弹塑性理论逡逑金属板材在成形的过程中会经历弹性变形阶段和塑性变形阶段，如图２．１所示。在弹逡逑性变形阶段内，即路径０Ａ，材料的ａ与ｓ遵循胡克定律成正比，此时如果将外载荷卸载，逡逑材料能够恢复到初始状态。当到达Ａ点时，材料则进入塑性变形阶段，此时的应力ａ0称逡逑为屈服强度，也称屈服极限。塑性变形阶段（１与￡不再成线性关系，如果在Ｂ点将外载荷逡逑卸载，材料不会按照ＢＡ－ＡＯ的路径回复，而是沿着路径ＢＣ回复，通常将ＯＣ称为残余应逡逑变。若在Ｄ点将外载荷卸载，材料的残余应变为ＯＥ。如果在Ｃ点重新对材料施加外载荷，逡逑则弹性变形阶段由ＯＡ变成ＢＣ，屈服极限也由Ａ点变成Ｂ点，材料的屈服强度经过外载荷逡逑卸载与重新加载而增大，通常称之为材料的加工硬化。塑性变形阶段，材料不具有完全逡逑恢复的能力

【参考文献】