（机械制造及其自动化专业论文）差厚高强钢激光拼焊板拉伸失稳的理论与数值模拟研究.pdf

江苏大学硕士论文 摘要 激光拼焊板成形技术是汽车轻量化的一个重要发展方向。母材性质差别以及焊缝的 存在改变了传统单一板材塑性成形中的流动规律，使得差厚激光拼焊板在拉伸成形中的 失稳表现出其独有的特点，拼焊板拉伸失稳研究面临着新的挑战。作为拼焊板成形工艺 分析和工艺设计的有效工具，拼焊板成形极限曲线的建立在拼焊板实际应用中具有非常 重要的地位。成形极限曲线不仅是在生产中直接用于指导生产工艺，而且更作为拉伸失 稳判据广泛应用于板料成形数值模拟领域中。拼焊板成形过程数值模拟是提高拼焊板冲 压生产的制造精度和敏捷度的关键技术。将激光拼焊板成形极限曲线的理论建立方法与 激光拼焊板成形过程数值模拟技术相结合研究激光拼焊板的成形性能具有重要的学术意 义和工程意义。本文将理论分析方法与数值模拟技术相结合，基于b 1 7 0 p 1 规格的差厚 高强钢激光拼焊板，对差厚激光拼焊板的拉伸失稳展开研究。 本文首先对板料塑性变形的基本理论和成形过程有限元分析方法进行简要概述；接 着分析了差厚拼焊板拉伸失稳特点及规律，建立差厚激光拼焊板拉伸失稳的理论分析模 型，并基于该拉伸失稳理论分析模型提出差厚激光拼焊板拉伸失稳极限应变的理论计算 方法，给出拼焊板焊接区材料参数的获取方法，理论计算了0 7 m m 1 0 r a m 组合b 1 7 0 p 1 钢差厚激光拼焊板的成形极限曲线；然后基于d y n a f o r m 对凸模胀形试验成形模具和差 厚激光拼焊板进行有限元建模，将以上理论计算获得的成形极限曲线作为失效判据引入 d y n a f o r m ，对差厚激光拼焊板的拉伸失稳过程进行有限元仿真研究；最后对 0 7 m m 1 0 r a m 厚度组合的b 1 7 0 p 1 钢激光拼焊板试件进行半球凸模胀形实冲试验，研究 其失稳及应变分布特点，并建立该激光拼焊板的试验成形极限曲线，将试验数据与以上 理论研究结果和仿真结果相比较，验证了本文研究方法的正确性、有效性。 根据本文提出的差厚激光拼焊板拉伸失稳的理论分析模型和理论结合仿真手段分析 差厚激光拼焊板拉伸失稳的研究方法，可以为各种厚度组合的差厚激光拼焊板拉伸失稳 的研究提供参考，拼焊板拉伸失稳的理论分析方法与有限元仿真技术的结合可以方便、 快捷地预测拼焊板的成形性能，缩短激光拼焊板研发、应用周期。 关键词：高强度钢板；激光拼焊板；拉伸失稳；成形极限 ? 江苏大学硕士论文 a b s t r a c t 硼1 et e c h n i q u eo fl a s e rt a i l o r - w e l d e db l a n ki sa ni m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o no f a u t o m o b i l el i g h t w e i g h t t h ep r o p e r t yd i f f e r e n c eo fb a s em e t a l sa sw e l la sw e l d se x i s t e n c e c h a n g e dt h ep l a s t i c i t yf o r m i n gm o b i l er u l eo ft r a d i t i o n a ls o l ep l a t e ，w h i c hc a u s e dm u l t i - g a u g e l a s e rt a i l o r - w e l d e d b l a n kd i s p l a y sp a r t i c u l a rc h a r a c t e r i s t i c l a s e rt a i l o r - w e l d e db l a n k sf a c e n e w c h a l l e n g e a sa ne f f e c t i v et o o lo fp r o c e s sa n a l y s i sa n dp r o c e s sd e s i g n i n go ft a i l o r - w e l d e d b l a n k s ，t h ee s t a b l i s h i n go ff o r m i n gl i m i tc u r v eh a sa ni m p o r t a n ts t a t u si nt a i l o r - w e l d e db l a n k s p r a c t i c a la p p l i c a t i o n f o r m i n gl i m i tc u r v ei sn o to n l yu s e dd i r e c t l yt oi n s t r u c tt h ep r o d u c t i o n t e c h n i q u e ，m o r e o v e rw i d e l ya p p l i e da st h es t r e t c hf a i l u r ec r i t e r i o ni nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n d o m a i no fs h e e tm e t a lf o r m i n g ，w h i c hi st h ek e yt e c h n i q u et oi m p r o v et h em a n u f a c t u r e p r e c i s i o na n da g i l e n e s so ft a i l o r - w e l d e db l a n k s i th a sav i t a la c a d e m i cs i g n i f i c a n c ea n d e n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c et op u tt o g e t h e rt h et h e o r e t i c a le s t a b l i s h m e n tm e t h o do ff o r m i n gl i m i t c u r v ea n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nd o m a i no fs h e e tm e t a lf o r m i n g ，b a s eo nw h i c ht h i sa r t i c l e l a u n c ht h er e s e a r c ho fs t r e t c hf a i l u r eo fm u l t i g a u g eh i g h s t r e n g t hs t e e l 1 7 0 p 1 ) l a s e r t a i l o r - w e l d e db l a n k f i r s t l y , t h eb r i e fo u t l i n eo ft h es h e e tp l a s t i cd e f o r m a t i o n se l e m e n t a r yt h e o r ya n df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sm e t h o do ft h ep l a t ef o r m i n gp r o c e s sa r ed i s c u s s e d t h e nt h e d i s t o r t i o n c h a r a c t e r i s t i ca n ds t r e t c hf a i l u r er u l eo fm u l t i - g a u g et a i l o r - w e l d e db l a n k sa r ea n a l y z e dt o e s t a b l i s han e wt h e o r e t i c a lm o d e l ，am e t h o dt og e tt h em a t e r i a lp a r a m e t e ro fw e l d e dz o n eo f t a i l o r - w e l d e db l a n ka n dt h ea l g o r i t h mi sp r o p o s e dt oo b t a i nt h ef o r m i n gl i m i tc u r v e ( f l c ) o f 0 7 m m 1 o m mc o m b i n e dl a s e rt a i l o r - w e l d e db l a n k so fb 1 7 0 p 1s t e e l l a t e r , t h ef m i t ee l e m e n t m o d e lo fs t r e t c hf o r m i n gt o o la n dm u l t i - g a u g el a s e rt a i l o r - w e l d e db l a n k sa r ee s t a b l i s h e di nt h e s o f t w a r eo fd y n a f o r mt os i m u l a t et h ep r o c e s so fl a s e rt a i l o r - w e l d e db l a n k s ，w h o s ef l ci sa l s o i n t r o d u c e da saf a i l u r ec r i t e r i o ni nd y n a f o r m a tl a s t ，s t r e t c hf o r m i n gt e s to f0 7 r a m 1 o m m c o m b i n e dl a s e rt a i l o r - w e l d e db l a n k so fb 1 7 0 p 1s t e e li sc a r r i e do nt ov a l i d a t et h es i m u l a t i o n r e s u l ta n dt h ei co b t a i n e df r o mt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n t h et h e o r e t i c a lm o d e lt oa n a l y z et h es t r e t c hf a i l u r eo fm u l t i g a u g el a s e rt a i l o r - w e l d e d b l a n k sa n dt h em e t h o do fc o m b i n i n gt h e o r ya n ds i m u l a t i o nt o s t u d yt h es t r e t c hf a i l u r eo f m u l t i - g a u g el a s e rt a i l o r - w e l d e db l a n k s ，w h i c hh a sp r o p o s e di nt h i sa r t i c l e ，a b l et op r o v i d e r e f e r e n c et os t u d ys t r e t c hf a i l u r eo fk i n d so fm u l t i - g a u g et a i l o r - w e l d e db l a n k s t h ef o r m a b i l i t y o ft a i l o r - w e l d e db l a n k sc a l lb es p e c u l a t e dc o n v e n i e n t l ya n dt h er e s e a r c h i n g - a p p l i c a t i o nc y c l e i ss h o r t e n e dw i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h e o r e t i c a la n a l y z i n gm e t h o da n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t e c h n i q u e k e yw o r d s ：h i g hs t r e n g t hs t e e ls h e e t ；l a s e rt a i l o r - w e l d e db l a n k ；t e n s i l ef a i l u r e ；f o r m i n gl i m i t 江苏大学硕士论文 第一章绪论 1 1引言 出于安全性、经济性和环保的综合考虑，车身轻量化逐渐成为汽车( 特别是轿车) 工业发展的趋势之一，这使得高强度钢板等轻型材料在车身制造中得到大量应用。汽车 工业的高要求以及铝业的竞争促使钢铁工业为适应汽车工业的需要而开发厚度更薄、成 形性更好、强度更高的钢板，由此也推动了高强度钢板的开发和研究。 自2 0 世纪6 0 年代本田汽车公司将拼焊板( t a i l o r - w e l d e db l a n k s ，简称1 w b s ) 技术应 用于车身侧内板边角小料以来，美国福特汽车公司、保时捷工程公司、德国蒂森钢铁公 司、大众公司等相继将拼焊板应用于汽车车门两侧的a 、b 、c 立柱、车门内板、纵梁、 地板、轮罩、内后挡板、横梁缓冲器等，如图1 1 所示。在国内，上海大众、一汽大众都 应用了拼焊板成形技术。拼焊板成形方法兼有车身覆盖件两种传统成形方法( 分离成形 和整体成形) 的优点：减少车身覆盖件零件数量，减少工模具数量和工序，省去加强板 以降低车身重量，简化车辆整体结构，增加车身的刚度，提高板料利用率，满足车身覆 盖件不同部位对厚度和强度的不同需要。 中立柱 车顶加强板 发 上 图1 1 拼焊板冲压件组成的白车身 门内板 差厚高强钢激光拼焊板兼有高强度钢板与激光拼焊板技术的优点，在车身制造中的 应用可以很好地解决现代汽车工业中面临的提高燃油效率，减少汽车尾气排放和提高汽 车安全性等方面的问题，其变形行为研究与成形理论基础研究已成为车身轻量化研究的 重要发展方向。 1 2 拼焊板拉伸失稳研究现状 拼焊板成形技术是当前最先进的汽车制造技术之一，与传统的汽车覆盖件制造技术 江苏大学硕士论文 相比较，拼焊板技术具有明显优势【l 】，它能够在零件的关键部位布置较强的材料以增加 局部刚性，在不减少刚度的情况下减轻了车身总重量，降低材料成本。但是，由于焊接 热循环的作用以及材料尺寸、性质差别造成的差厚拼焊板成形性能下降限制了该技术的 应用【2 1 ，国内外很多学者分别采用不同的研究手段对差厚激光拼焊板成形性能展开研究， 拉伸失稳是其中一个重要方面。 针对不同的拉伸状态，拼焊板的变形特点及失稳形式有所不同，本文主要研究最大 主应力垂直于焊缝方向的拼焊板拉伸塑性变形失稳情况。拉伸失稳是由于材料的强度或 塑性不足，当拉伸应力超过临界值时便会发生，其宏观表现形式为缩颈或裂纹。拉伸失 稳的影响因素很多，目前为止还没有十分精确的判断失稳的准则，对于失稳的判断现在 用的比较多的主要是成形极限曲线( f o r ml i m i tc u r v e ，简称f l c ) 或成形极限i 虱( f o r m i n g l i m i td i a g r a m ，简称f l d ) ，如图1 2 所示。 成形极限曲线是判断和评定金属薄板成形性最简便、直观的方法，是对板材成形性 能的一种定量描述，同时也是对冲压工艺成败的一种判断标准。通过实验或理论计算， 求得一种材料在不同应变状态下的极限应变值，把这些极限应变点标注到以对数应变l 和2 ( 或工程应变bl 和e2 ) 为坐标轴的坐标系中，并将它们联成适当的曲线，获得的曲 线就是该种材料的成形极限曲线。根据板料应变路径的变化情况可将其分为稳定变形区、 亚稳定变形区及集中性失稳，根据板料应变状态的不同可将其分为“拉一压”区、“平 面应变 区和“拉一拉 区，如图1 2 所示。一般认为当赴= 0 时，即应变路径向平面 主应变 、汰n ， 磊夕 一失稳证稳定变形区鬟、j 、 ，+ 7 ( 如2 0 ，f l c ) ( 应变状态漂移) 、? ，尺稳定变形区 、 ， ( 阊服轨迹) 吨 | ，j ， 次应变 图1 - 2 成形极限图 2 江苏大学硕士论文 应变状态漂移如图1 2 中虚线a b ，集中性失稳产生，此时获得板料的极限应变，将各应 变状态下的极限应变相连成线即获得板料的f l c ，如图1 2 中的实线所示。 1 2 1 试验研究 拼焊板拉伸失稳的试验研究主要是通过制作不同规格的拼焊板试件，借助于单拉、 s w i f t 等试验手段，将试件加载至出现缩颈或裂纹( 即失稳状态) 时停止，然后研究该 拼焊板试件的拉伸失稳形式、应变分布特点或建立成形极限曲线以判定拼焊板的拉伸变 形极限。在激光拼焊板技术的应用过程中，为了减少设计时间，降低制造成本，车身工 程师就必须掌握拼焊板的拉伸失稳特性。 对于激光拼焊板技术的应用，激光拼焊板的成形性是人们最为关心的问题，因此许 多学者借助于各种试验方法对不同材质、不同厚度组合及是否带镀层的t w b 的拉伸失 稳特性展开研究。最小极限应变( f l do ) 位于平面应变状态，大多数汽车面板破裂也都 发生在平面应变状态，于是i g - i d l ie ta l 3 1 采用尺寸为1 0 1 6 r a mx1 7 7 8 m m 的t w b s 试件，：j ： 通过极限拱顶高实验来得到拼焊板的f l d o 。s c t i v e ne ta l 【4 】主要研究了拼焊板中焊缝布置 对近似f l do 的影响，他们发现影响拼焊板拉伸失稳的决定性因素是较薄侧材料的厚度 和拼焊板的厚度比( 拼焊板薄侧母材厚度值与厚侧母材厚度值之比) 。然而，在他们的研 究中并未对拼焊板的其他应变状态进行分析。香港理工大学的s m c h a r t 等【5 j 通过单 拉试验获得平面应变状态极限应变值，发现载荷垂直于焊缝的激光拼焊板与其母材之间 的拉伸强度没有很大的差别，从而在汽车工业中可以在不影响板料抗拉强度的前提下， 减轻车身覆盖件的重量。且他们的极限拱顶高试验研究表明，厚度比越大，冷轧钢拼焊 板f l do 值越低，f l c 水平越低；拼焊板( 厚度组合为1 0 m m o 5 m m ，1 0 m m o 6 m m ， 1 o m m o 8 r a m ) 的f l c 低于其母材( 厚度为l m m ) 的f l c 。s m c h a r t 等认为，较于 厚侧母材，薄侧母材承受较大作用力，当厚侧母材依然处于弹性变形状态时，薄侧母材 已经进入塑性变形状态，因此差厚拼焊板经常于薄侧母材处失稳。后来该研究小组的 l c c h a r t 等【6 】通过s w i f t 杯突试验对不同厚度比的冷轧钢激光拼焊板的拉伸失稳行为 进行研究，研究表明，厚、薄侧母材的f l c 均高于拼焊板的f l c ；拼焊板厚度比接近1 时，其f l c 接近于母材，此时拼焊板具较好的成形性能：厚度差别越大，在成形过程中， 拼焊板两侧母材的塑性变形程度差别越大，且总是薄侧首先产生塑性变形，进而失稳， 导致拼焊板的成形性能降低。l c c h a r t 等认为，在成形过程中，对于母材来说，变 形力均匀地分布其上，而对于拼焊板变形力过多地集中于薄侧，这就是为什么母材比拼 3 江苏大学硕上论文 焊板有较好的成形性能。s u s h a n t ak u m a rp a n d a 【7 】研究了等厚但不同表面涂层( 镀层和非 镀层) i f 钢激光拼焊板的成形性能发现表面涂层对拼焊板总体变形影响较小。 s a m u c l s 8 】认为焊接过程中的热循环导致邻近焊缝区域的结构发生变化。拼焊板不同 区域微观结构的差异将不可避免的影响拉伸失稳特性。w a d d e l le ta 1 1 9 1 也指出拼焊板的成 形性随着其不同区域( 母材、热影响区及焊缝) 之间的硬度值差异的增加而降低。 c a y s s i a l s t l o 。1 1 认为由于在拉深过程中焊缝处的材料的组织变化不可忽略，较强材料的位 移变化受阻，主要塑性应变发生在弱侧材料中，因而拼焊板的成形极限不能用常规的f l c 表示。 德国的斯图加特大学【1 2 】为了评价激光拼焊板的成形性能进行了一系列的基础实验研 究，并在此基础上设计了一套适用于激光拼焊板成形的分段模具结构。通用汽车公司、 丰田研究中心和开发实验室、俄亥俄州立大学工程研究中心【1 3 1 4 】亦利用一些实验手段， 如单轴拉伸实验、液压深拉延成形实验等对激光拼焊板的机械特性和冲压特性进行了研 究，并对激光拼焊板在车身零件中的实际应用进行了实验分析。v o l l e r t s e n 等人【1 5 】研究了 拼焊钢板和拼焊铝板的拉延特性，认为拉延性能由极限拉延比决定，并在很大程度上受 焊缝方向和位置的影响。 目前国内在拼焊板成形方面研究较少，中科院金属研究所张士宏研究员对盒形件拼 焊板成形进行了一些研究；同济大学林建平等人【1 6 】对曲线焊缝拼焊板成形性能作了初步 的研究；江苏大学陈炜等人【1 7 。2 1 1 对盒形件和轿车门内板激光拼焊板作了冲压成形过程中 的焊缝移动预测和控制研究。 就以上研究情况可以看出，差厚激光拼焊板拉伸失稳受到焊缝方向和位置的影响， 失稳主要发生在平面应变状态；f l d o 值的决定性因素是薄侧母材的厚度和拼焊板的厚 度比；拼焊板的厚度比越大，f l do 越小，f l c 水平越低；拼焊板的f l c 水平低于构成 其母材的f l c 水平，拼焊板的成形性能不能由薄侧母材的成形性能来评价；厚度比接近 1 时拼焊板的f l c 接近于母材，此时拼焊板的成形性能较好；拼焊板变形力过多地集中 于薄( 弱) 侧侧母材，塑性应变首先发生在薄( 弱) 侧，进而薄侧母材首先失稳。以上 研究结果对拼焊板在工程中的应用研究具有重要的参考及指导价值。 1 2 2 有限元数值模拟研究 板料成形是材料加工成形的一个重要分支，它广泛应用于汽车、航天、航空、家电 等部门。随着现代工业的发展，板料成形件越来越复杂，人们对板料成形的质量和速度 4 江苏大学硕士论文 的要求也越来越高。传统的板料成形模具的设计依赖的是经验和直觉，并且通过反复试 验、调试来保证成形的质量。这不仅需要消耗大量的人力和物力，而且周期长，效率低， 不能适应社会发展的需要。 有限元法的基本思想早在2 0 世纪4 0 年代初就已经提出来了，但直到7 0 年代才开始在 板材成形领域得到应用【2 2 2 3 】。s k o b a y a s h i 2 4 1 并l j n m w a n g f 2 5 1 分别采用刚塑性有限元方法 和弹粘塑性全拉格朗日有限元法分析了半球拉延、半球胀形以及液压胀形等简单成形问 题，开创了板材成形有限元数值模拟的先河。随着计算机技术的应用和发展以及有限单 元分析方法的不断趋于成熟，板料成形有限元数值模拟在实用性方面取得了较大的进步。 激光拼焊板成形技术是当前最先进的汽车制造技术之一，拼焊板母材性质差别以及 焊缝的存在改变了传统单一板材塑性拉伸成形中的流动规律，使得差厚激光拼焊板的拉 伸塑性失稳表现出其独有的特点。因此，有关学者对拼焊板成形过程有限元数值模拟进 行了大量研究。 拼焊板成形过程有限元分析的核心问题是焊缝模型的建立。拼焊板焊缝的建模一般 有两种方法 2 6 1 ：一种是精确地建立焊缝的模型，在此模型中，焊缝的类型应予以考虑， 包括焊缝的尺寸和形状，焊缝和热影响区处马氏体质量分数等。对焊缝区域的模拟主要 有三种单元模型：用梁单元对焊缝建模；用壳单元对焊缝建模；用厚板和薄板的 相邻节点间，由一系列刚性连接( 焊点) 建模1 2 7 】。一些学者分别采用以上三种模型对拼 焊板的拉伸塑性成形过程进行有限元分析研究。第二种方法是忽略焊缝类型，只考虑焊 缝位置。目前，第二种方法在成形模拟过程中经常使用。 k m z h a o 冽分别采用3 d 壳单元不考虑h a z 、3 d 壳单元考虑h a z 以及3 d 实体单 元考虑h a z = 种有限元模型分别模拟拼焊板的成形和回弹，研究表明，拼焊板成形过程 可采用不考虑热影响区的3 d 壳单元进行数值模拟；如考虑热影响区，相比于3 d 实体单 元相比，采用壳单元进行数值模拟计算时间较短，计算结果更为精确。h r s h a k e r i 【2 9 _ l 等人建立了最大载荷垂直于焊缝方向的拼焊板试件，通过球面拱顶高试验模型进行了有 限元模拟，认为采用壳单元和刚性连接来处理焊缝的结果差别不大，后者较简单，节约 了很多计算时间。c h c h e n g 3 0 】通过单拉试验获得不锈钢激光拼焊板焊缝和母材缩颈时 的最大极限应变值，将此作为失效判据引入l s d y n a f o r m 软件对拼焊板进行半球凸模胀 形仿真试验，并与试验数据进行了比较，效果良好。 5 江苏大学硕士论文 1 2 3 理论研究 拼焊板拉伸失稳理论研究主要是拼焊板拉伸失稳理论分析模型的建立和极限应变的 计算方法研究。拼焊板拉伸失稳极限应变是拼焊板拉伸塑性成形中一个十分重要的性能 指标，它反映拼焊板在成形过程中发生塑性失稳和破裂前所能取得的最大变形程度。由 拼焊板在不同变形状态下的极限应变构成的成形极限曲线( f l c ) 是评价拼焊板成形性 能的重要方法，是薄板成形工艺分析和工艺设计的有效工具【3 1 】。成形极限曲线通常可以 通过试验方法和理论计算来建立。试验法获得的成形极限曲线较准确，但成本高，费时 费工。f l c 的理论计算是基于塑性本构关系和屈服准则，以集中性失稳准则作为颈缩与 破裂的条件进行解析的。母材性质及厚度的差别，以及焊缝的存在导致差厚拼焊板塑性 成形中板料流动规律的改变，这些都引起拼焊板在拉伸塑性失稳中的理论研究不能在采 用普通单一薄板的分析方法。 c a y s s i a l sf 【3 2 1 在试验研究基础之上提出了激光拼焊板的理论计算方法，给出了拼焊 板平面应变皿，d 0 的计算公式，并未阐述如何获得不同应变状态下的极限应变来建立完整 的f l c 。i u c hd a v i e s 3 3 1 基于m k 理论提出了拼焊铝板拉伸塑性失稳的理论分析模型，如 图1 3 所示。若己知初始缺陷度值，。的统计分布和母材与焊接区的流动力学特性，即可 理论计算拼焊板f l c 右半部分。但作者未给出试验验证，其理论模型的正确性值得商榷。 口： 占2 图1 3d a v i e s l 3 3 1 拼焊铝板拉伸失稳分析模型 1 平行于最大载荷方向的焊缝沟槽；2 垂直于最大载荷方向的焊缝沟槽； 3 垂直于最大载荷方向的薄侧母材沟槽；4 焊缝均匀变形区；5 薄侧母材均匀变形区 1 3当前研究中存在的问题及本文的研究方向 通过国内外相关学者对差厚激光拼焊板成形性能方面的研究，及差厚高强钢激光拼 焊板在汽车工业中的应用情况，目前主要存在以下几个问题： 6 江苏大学硕士论文 1 ) 拼焊板冲压成形是一个复杂的金属塑性动态流动过程，影响差厚拼焊板拉伸失稳 的因素很多，但目前的研究主要集中在材料厚度比( 强度比) 、焊缝方向以及焊接工艺 参数几个因素上。在拼焊板成形过程中，应考虑焊缝、热影响区及厚、薄侧母材材料性 能的差异对拼焊板金属塑性流动的影响，深入研究拼焊板的拉伸变形、失稳规律。 2 ) 在拉伸成形过程中，母材厚度差异及焊缝的存在改变了差厚拼焊板的均匀性和连 续性，薄侧母材的成形极限曲线无法描述差厚激光拼焊板的成形极限行为。建立适用于 差厚激光拼焊板拉伸失稳的理论分析模型，基于有限元仿真手段研究拼焊板拉伸失稳行 为，具有重要的学术价值和工程意义。 3 ) 拼焊板的拉伸失稳极限应变与材料的硬化指数刀、厚向异性指数，以及应变率强 化指数m 有密切关系，目前尚无相关文献提出相应的研究方法对这些影响因素展开研 究。 4 ) 目前对差厚拼焊板拉伸失稳的相关研究大多集中于探索拼焊板f l c 的试验建立， 而对于差厚拼焊板f l c 的理论建立及其与有限元仿真软件相结合，方便、快捷地研究差， 厚拼焊板的拉伸失稳行为方面的工作较少。 5 ) 理论法确定拼焊板拉伸失稳极限应变还很不完善，有待进一步深入研究。 本文将理论研究方法与有限元仿真手段相结合，基于以上几个方面的问题，对差厚 高强钢激光拼焊板拉伸失稳理论模型的建立和拼焊板拉伸失稳行为仿真展开研究，并将 其与试验数据进行比较验证本文研究方法的正确性和有效性。 1 4 本文的研究方法及程序 本文回顾近年来关于激光拼焊板拉伸失稳的试验、有限元仿真及理论研究的情况， 分析当前激光拼焊板拉伸失稳研究存在的问题，对差厚高强钢激光拼焊板拉伸塑性失稳 的理论及理论与有限元仿真的结合展开如下研究： 1 ) 分析总结国内外相关学者对差厚激光拼焊板拉伸失稳行为方面的研究成果，结合 差厚激光拼焊板在汽车工业中的应用情况，建立差厚激光拼焊板的拉伸塑性失稳理论模 型： 2 ) 基于以上失稳模型，提出差厚激光拼焊板极限应变的理论计算方法，以b 1 7 0 p 1 钢0 7 m m 1 0 m m 厚度组合的激光拼焊板为研究对象，利用该理论计算方法计算各应变状 态下的极限应变，建立该激光拼焊板的理论f l c ； 3 ) 基于板料有限元仿真软件d y n a f o r m 建立该厚度组合激光拼焊板的有限元分 析模型，将以上建立的b 1 7 0 p 1 钢0 7 r a m 1 0 m m 厚度组合的激光拼焊板理论f i _ , c 作为失 7 江苏大学硕士论文 效判据引入d y n a f o r m 后处理模块，预测激光拼焊板拉伸失稳行为； 4 ) 制作b 1 7 0 p 1 钢0 7 m m 1 o m m 厚度组合的差厚激光拼焊板试件，通过半球凸模 胀形实冲试验研究各试件拉伸失稳行为，获得该激光拼焊板不同应变状态下的极限应变 和应变分布状态，验证理论f l c 和仿真结果的正确性； 本文研究路线框图如图1 4 所示。 b 1 7 0 p 1 钢差厚 激光拼焊板凸模 普通薄板拉伸塑 性变形失稳的基 本理论 差厚拼焊板拉伸 塑性变形失稳的 差厚拼焊板焊接 区材料参数的确 定方法 试验获得b 1 7 0 p 1 钢激光拼焊板的极 限应变 建立差厚激光拼 焊板拉伸失稳理 论分析模型 差厚激光拼焊板 极限应变的理论 计算方法 理论计算b 1 7 0 p 1 钢差厚拼焊板成形 极限曲线( f l c ) 验证b 1 7 0 p 1 钢激 光拼焊板理论f l c 的正确性 焊接区性能参数 对拼焊板f l c 水 平的影响 3 1 7 0 p 1 钢差厚拼烤 板拉伸失稳过程有 限元仿真 哩论f l c 引入有陬 元仿真软件预测拼 焊板拉伸失稳性能 验证差厚激光拼焊 板有限元仿真结果 的正确性 图l - 4 本文研究路线框图 8 江苏大学硕士论文 第二章板料拉伸失稳理论及有限元分析方法 2 1引言 板料成形是一个具有几何非线性、材料非线性、边界条件非线性等多重非线性的非 常复杂的力学过程。由于影响成形过程的因素很多，因此人们不断精确控制材料的流动。 成形过程中会产生各种各样的缺陷，影响零件的几何精度、表面质量和力学性能。总的 来说，覆盖件成形的主要缺陷有起皱、破裂和回弹。本文主要研究激光拼焊板塑性成形 过程中的破裂，即拉伸失稳问题。 薄板冲压成形过程中，由于冲压件本身的形状比较复杂，破裂呈现出各种各样的形 态。此处按性质将其分为两大类：一类是由于材料的强度不够而产生的破裂，称为强度 破裂( a 破裂) ：另一类是由于材料的塑性不足产生的破裂，称为塑性破裂( 1 3 破裂) 。 按此种分类方法，强度破裂一般发生在板料传力区，而塑性破裂一般发生在板料变形区。 强度破裂主要与材料的强度极限有关。因此，一般采用单向拉伸时的强度极限盯。作 为强度破裂的极限参数。当薄板冲压成形时，板料传力区所承受的最大应力超出材料的 强度极限仃。便会产生a 破裂，如图2 1 所示。板料的强度极限主要与板料的微观组织结 构有关系，在实际的板料成形过程中可以通过改变板料的围观组织结构来避免强度破裂。 q 破裂 图2 - 1 强度破裂和塑性破裂 对于塑性破裂，单向拉伸时的应力应变曲线如图2 1 所示。薄板冲压成形时，板材 在最大应变方向上的极限变形程度与变形状态密切相关，即 f 。一- f ( p ) 其中p 为板平面内两个主应变的比值。 板材的极限变形程度随变形状态( 或应力状态) 的变化而变化。因此，不能直接把 单向拉伸时的极限应变值用来衡量任意变形状态下的变形是否属于稳定的塑性变形，而 9 江苏人学硕士论文 应根据变形状态利用成形极限曲线来衡量。 在预防破裂的研究中，通常采用实验与理论相结合的方法。但是对于复杂的板料成 形过程，特别是汽车覆盖件冲压成形过程而言，以上方法存在明显的局限性。近年来计 算机和数值模拟技术的不断发展完善，为分析板料成形过程的破裂问题提供了一个崭新 有效的途径。 2 2 板料塑性变形的力学理论基础 物体由于受力而变形，如果将力去掉以后能立即恢复到原来的形状，这个变形就叫 弹性变形。在弹性变形的范围内，引力应变曲线往返的路径是一致的。但当应力超过某 一个限度以后，即使将力去掉也不能恢复原形，其中有一部分变形被保留下来，如图2 2 所示。外力去掉以后能立即消失的这部分变形( c e ) 是弹性变形，o c 部分是非弹性变 形。在非弹性变形中，d c 会随时间而慢慢消失，这种现象称为弹性后效。最后不能消失 的部分( o d ) 叫永久变形。在一定的应力下，永久变形随时间而徐缓增加的现象叫蠕变。 这种和时间有关的永久变形称为流态变形。而和时间无关，只和应力有关的永久变形即 为塑性变形。 o udce 图2 - 2 材料塑性变形应力应变曲线 塑性力学的主要任务就是研究物体发生塑性变形时的应力和应变分布规律，其采用 以下几个主要的基本假定。 1 ) 材料是均匀的，连续的。 2 ) 各向均匀的应力状态，即静水应力状态不影响塑性变形而只产生弹性的体积变化。 3 ) 在温度不高，时间不长的情况下，可以忽略蠕变和松弛的效应；在应变率不大的 情况下，可以忽略应变率对塑性变形的影响。 1 0 江苏大学硕士论文 2 2 1 板料塑性变形的应力特点 板料成形大都认为是在一种平面应力状态下进行的，沿着厚度方向应力为零，或者 数值较小，可以忽略不计，而板料所处的应力状态可以概况为“拉一拉”、“拉一压 、“压 一拉 、“压压 四种类型。本文主要研究板料在以拉为主的“拉一拉和“拉一压 状态下的成形性能。 如果以盯眦代表板面内绝对值较大的应力；仃血代表板面内绝对值较小的应力，则 比值： 口：垒 ( 2 1 ) 矿m 可用于表示板料成形时的应力状态特点。在以拉为主的状态下，仃m l 万面i o 。 “拉一拉 应力状态时： 一1 口1 2 “拉一压 应力状态时： o 口1 2 2 2 板料塑性变形的应变特点 板料成形时，材料的变形特点集中表现为厚度的变化。因为塑性变形体积不变，利 用板面内两个主应变的比例关系即可对板料的变形性质作出判断。以占m 、占血分别表 示板面内绝对值较大与较小的一个主应变，则比值： 夕：鱼 ( 2 2 ) f 越 用来表示板料应变状态的特点。按照占m 与f 面可能取值，板料的应变状态可以划分为 “拉一拉、“拉压 、“压一拉 及“压压四种。本文主要研究前两种以拉为主的 应变状态，即占，0 ( 占，为厚向应变) 。 “拉一拉 应变状态时： 0 p 1 j“拉一压 应变状态时： 一二p s 0 一一、，、i - 1 + ， 1 1 江苏大学硕士论文 其中r 为厚向异性指数。 2 2 3 屈服准则 屈服准则是板金受外力后从弹性状态进入塑性状态的力学条件，所以其表达式又称 为塑性条件或屈服条件。对于一定的材料，在一定的变形温度与变形速度下，屈服完全 取决于金属所处的应力状态，当应力分量的组合满足某一函数关系： 厂( 盯l ，o r2 ，o r3 ) = c ( 2 - 3 ) 时，应力状态所构成的外部条件，与金属屈服时的内在因素恰好相符，金属即从弹性变 形转变为塑性变形。方程式( 2 3 ) 称为屈服条件或屈服准则，而其所代表的空间表面为 屈服表面。 2 2 3 1 各向同性材料 1 8 6 4 年，法国的h t r e s c a 在做了一系列不同形状和韧性的模子的实验后，观察到 金属塑性流动的痕迹与最大剪应力方向一致，于是提出：当最大剪应力达到材料所固有 的某一数值时，材料开始进入塑性状态，即开始屈服。也就是最大剪应力条件，又称为 t r e s c a 条件。1 8 7 0 年s a i n t - v e n a n t 将此理论作了进一步发展，提出数学表达式，用主应 力表示，可写为： o rl 一仃2 l = 仃s 仃2 一仃3 i = o rs o r3 一仃l i = 盯s ( 2 4 ) 其中仃s 一材料的屈服应力 仃i 一主应力( i = 1 ，2 ，3 ) 由于t r e s c a 条件应用于空间问题时引起了数学上的不便，v o nm i s e s 于1 9 1 3 年从纯 粹数学的观点出发，对t r e s c a 条件提出了一个修正，用主应力表示为： ( o rl - 仃：) 2 + ( 盯2 - o r 。) 2 + ( 仃3 - 盯。) 2 = 2 仃；( 2 - 5 ) 考虑到八面体应力时，也可以表示为： ( o rx - - 仃y ) 2 + ( o ry 一仃：) 2 + ( 盯：一j ) 2 + 6 ( f + f + f ：) = 2 盯；( 2 6 ) 根据上式，该条件可以描述为：当应力强度达到一定数值时，材料开始进入了塑性 状态。它就称为应力强度不变条件，又称为m i s e s 条件。 以应力主轴为坐标轴可以构成一个主应力空间，屈服准则的数学表达式在主应力空 1 2 江苏大学硕士论文 间中的几何图形是一个封闭的空间曲面。t r e s c a 条件和m i s e s 条件在主应力空间的屈服 表面如图2 3 所示。若主应力空间中一点应力状态矢量的端点( p 点) 位于屈服表面， 则该点处于塑性状态；若p 点在屈服表面内部，则p 点处于弹性状态。对于理想塑性材 料，p 点不能在屈服表面之外。 屈雷斯加六角柱面 2 - 3 主应力空间的屈服表面 假定主应力的大小次序不定，其中盯，= o ，在此平面应力状态下，t r e s c a 条件写作： m i s e s 条件( 式( 2 5 ) ) 可以写作： l 仃。一仃：i = 仃。1 酬it q - 7 盯l2 + 盯1 1 9 2 + 盯22 = 仃； ( 2 8 ) 平面应力状态下屈服准则的表达式在主应力坐标平面上的几何图形是一个封闭的曲 线，即屈服轨迹。t r e s c a 条件的屈服轨迹为一六边形，m i s e s 条件的屈服轨迹为一外接于 上述六边形的椭圆，如图2 4 所示。两个屈服轨迹有六个交点，说明在这六个交点上， 两个屈服准则是一致的。其中与坐标轴相交的四个点a ( 仃。，0 ) 、e ( 0 ，1 7 。) 、g ( 仃。， 0 ) 、k ( o ，仃。) 表示单向应力状态；与椭圆长轴相交的二个点c ( 口。，矿。) 、i ( 仃。， 盯s ) 为轴对称应力状态。在两个屈服轨迹不相交的部份，米塞斯椭圆上的点均在屈雷 江苏大学硕士论文 册刀口六迈彤乙外，衣明孜木器册心服准则而萤牧灭州胜刀刀日艺馒栩科l 厌息j 屈服。网 个屈服准则差别最大的有六个点( b 、d 、f 、h 、j 、l ) ，它们的坐标分别由 吖帆盯：帆2 = 仃；对仃- 和盯：求极值得出。其中四个点b ( 去万1 盯s 、 。( 击盯s ，万2 莎s 、h ( 一去盯旷万1 仃s 、j ( - 万1 盯旷万2 仃s 既表示平面应力状态， 又表示平面应变状态，因这四个点0 3 = o ( 平面应变) ，仃z = 里 尘= t o 1 = 仃m ，或 仃。= 尘= 垒2 = 盯m ( 平面应变状态) 。另两个点f ( 一击盯s ，万1 仃s 、 l ( 去盯s ，一万1 矿s 属纯切应力状态。 砖吩 一浚 器鸭吣 j _ - r ，一1 - ，“ 1 蚀”飞影 滋胪 j 累一 铂。吨”0 ， 可 1 r 峻* 气峻” 图2 - 4 平面应力状态下的屈服轨迹 2 2 3 2 各向异性材料 冷压成形所用的毛料，大都是经过多次塑性变形而取得的半成品( 如板料、型材、 钢管) 。在这类半成品中，由于机械的纤维性和择优结晶方位形成织构，具有明显的各向 异性。 假定变形体的各向异性具有三个互相垂直的对称平面，这些平面的交线称为各向异 性主轴。例如，圆管的各向异性主轴为轴向、径向和轴向，板料的各向异性主轴为沿着 辗压方向，垂直于辗压方向和沿着厚度的方向。 1 ) h i l l 4 8 准则 1 4 江苏大学硕士论文 h i l l 4 8 3 4 1 是第一个描述金属塑性变形各向异性特点的二次屈服函数。h i l l 4 8 对塑 性各向异性进行了定量描述，针对薄板试样，引入各向异性指数“宽向和厚向应变比) ， ，跟板料轧制方向有关，其均值通常可写成下式： ，：! q 堑箜鱼( 2 8 ) 4 其中厂o 、r4 5 和，分别为轧制方向与试样切割线的夹角。平面应力状态下，应力主轴与 材料的各向异性主轴一致的情况是绝无仅有的，因此很难直接应用正交各向异性屈服准 则，往往进一步假定板料板面内各向同性，只有厚向异性。在平面应力载荷下，h i l l