矩形盒基于不同板坯形狀的拉深模擬及回彈應變分析

曾亮華 鄂大辛

(1.北京理工大學珠海學院；2.北京理工大學)

矩形盒基于不同板坯形狀的拉深模擬及回彈應變分析

曾亮華1鄂大辛2

(1.北京理工大學珠海學院；2.北京理工大學)

利用雙相鋼DP600對矩形盒進行矩形板坯和切角板坯的拉深模擬，指出，應變狀態及斷裂方式隨著板坯形狀改變而改變。經分析比較發現，矩形板坯在側壁上極易產生回彈變形，而切角板坯在側壁上基本不發生回彈，故切角板坯能獲得更大成形深度的同時還具有更好的形狀穩定性。

矩形盒 高強度鋼板 模擬 回彈分析

0 前言

近些年來高強度鋼板隨著碰撞標準和節能排放標準的提高而被廣泛應用于汽車工業。準確地把握高強度鋼板的成形表現尚待進一步研究，尤其卸載回彈，是高強度鋼板成形的一個典型成型缺陷且難于避免，它直接影響著成形件的精度。矩形盒作為典型的非回轉對稱件，拉深時其曲邊法蘭對角線上的應力應變分布狀態與汽車覆蓋件有諸多相似之處[1]。因此，在尚未把握高強度鋼板對汽車覆蓋件的成形表現規律之前，先采用有限元模擬方法在不同板坯形狀 (矩形板坯和切角板坯)下對雙相鋼DP600進行矩形盒的拉深模擬。主要研究兩種板坯斷裂點的應變履歷、曲邊法蘭對角線上節點的應變規律的異同，并初步探討回彈前后特征區節點的應變變化，為生產實踐提供一定參考。

1 有限元建模及模擬用材料

利用 so lidwo rks軟件建立凸、凹模及壓料板的三維模型：凸模 72mm×36mm×20mm，轉角半徑rc=3mm，凸、凹模肩圓角半徑 rp=rd=1.5 mm，模具間隙δ=0.3 mm，矩形板坯尺寸為108mm×72mm×0.2 mm，切角 C值從0mm～36mm。拉深條件：采用倒裝模具結構，凹模下行工作，壓邊力 FH=10 kN，摩擦系數為0.125。DP600的主要性能參數為：σs=325mPa，σb=654mPa，K=1003mPa，r=0.9，n=0.24，延伸率為25.1％。簡化后的切角板坯模型如圖1所示。

圖1 切角板坯有限元模型

2 拉深成形分析

2.1 成形極限對比分析

矩形板坯角端由于具有幾乎不變形的“變形死區”[2]，拉深成形過程中材料流動受到四個曲邊法蘭角端的影響，成形深度較小。切角后曲邊法蘭的徑向和周向流動阻力得到緩解，有利于板坯成形。圖2中列出的成形極限 (FLD)圖顯示：矩形板坯拉深至6.731mm時在凸模肩處產生斷裂，短直邊法蘭由于面積較小使得單位面積上受到的壓邊力較大，故其起皺比長直邊法蘭小；通過模擬發現最佳切角值 C=24mm時成形深度最大為9.048mm，比矩形板坯增大了34.4％。同時在凹?？谔幃a生斷裂，且曲邊法蘭由于切除了一部分變形死區材料而未出現嚴重起皺現象。模擬中發現：若切角值 C繼續增大時，會因直臂部分材料補給不足而會提前產生斷裂，致使成形深度減小。從 FLC上看，切角板坯斷裂時更多的節點位于拉 -壓變形區，節點受到更大的周向壓縮作用。

圖2 成形極限圖

2.2 關鍵節點應變分析

由 FLD圖(圖2)可知，兩種板坯斷裂點產生位置不同表明其斷裂形式亦不同。斷裂點的應變履歷對比圖3顯示，矩形板坯受到兩向不等拉伸作用，且εr＞ε θ＞0，并隨拉深行程逐漸增大；切角板坯的εr＞0、ε θ＜0，拉深過程中一直保持εr≤|ε θ|。在 h＜6mm時，εr Q＜εrJ。根據塑性變形體積不變原則知矩形板坯最終因板坯減薄嚴重而先產生斷裂，根據應變Lode參數切角板坯因εt≈0而傾向于剪切斷裂。

圖3 斷裂點的應變履歷對比圖

曲邊法蘭對角線是矩形盒拉深變形的特征區，其上的材料流動和應力應變關系比較復雜[3]，板坯形狀改變，曲邊法蘭應力應變狀態也將發生變化。為研究兩種板坯斷裂時曲邊法蘭對角線上節點的應變情況，在Dynaform中直接按圖4選取曲邊法蘭角對角線上的單元節點，將其對應節點的徑向和周向應變值以成形極限曲線形式畫出 (周向應變為橫坐標，徑向應變為縱坐標)，如圖5所示。

圖4 曲邊法蘭對角線上的節點網格圖

圖5 曲邊法蘭對角線上的節點應變對比圖

由圖5可以看出，兩種板坯從凹模口到凸模肩的大多數節點都處于拉—壓變形區，在側壁某節點處開始轉變為受到拉 -拉變形作用。矩形板坯從凹?？诘絺缺谀程?(節點5)達到徑向拉應變的最大值、周向壓應變的最小值，凸模肩(節點 8)處達到徑向和周向兩向拉應變最大值，在靠近盒底 (節點9和10)處兩向不等拉伸作用有所減弱。切角后凹?？?(節點1)處的應變絕對值增大，在斷裂點 (節點4)處達到εr和 |ε θ|的最大值，隨后的節點εr依次減小，|ε θ|亦減小并在凸模肩附近ε θ變為拉應變。盒底材料由于變形小，兩種板坯靠近盒底(節點10)處的應變值相仿。在凸模肩 (節點 8)處，矩形板坯受到的兩向不等拉伸作用明顯大于切角板坯，故矩形板坯在此產生斷裂。

3 回彈應變對比分析

將兩種板坯模擬后的 dynain文件導入到 Dynaform中，設置與成形模擬相同的參數進行回彈模擬。并按圖4(a)、(b)取出回彈后節點的應變值，探討曲邊法蘭對角線上節點應變回彈前后的變化情況，如圖6所示。圖6(a)顯示，矩形板坯凹?？谔?節點1～4)受到材料周向壓縮作用較大，回彈后εr和ε θ明顯減小且減小量隨節點逐漸增大；形成側壁后由于幾乎只受到徑向拉伸作用，轉角側壁上(節點5～8)，回彈后的εr亦減小明顯而ε θ基本不變。凸模肩靠近盒底處 (節點9和10)的應變值與回彈前相仿。矩形板坯拉深得到的矩形盒周向是個完全封閉的連續體，故卸載后

book=25,ebook=154疏松及非金屬夾雜物等。為此，制訂了以下工藝措施來加以改善。

利用系數達到2.24 t/(m3·d)。

4 結語

安鋼兩座2000 m3級高爐雖然煤比已經穩定在130 kg/t左右，但距離設計煤比200 kg/t和國內外噴煤先進技術指標還有很大差距，還有很大的提升空間，需要在以下四個方面加大努力。

1)精料是高爐提高煤比、降低焦比的基礎。在富氧噴煤條件下，一定要保證原燃料質量尤其是強度和粒度。

2)加強高爐標準化操作，保證高爐長期穩定順行。采用上下部調劑與中部調劑相結合，保持煤氣流的合理分布；在日常生產中加強冷卻壁的檢查與維護等措施，為高爐的正常穩定生產和大煤量噴吹打下良好基礎。

3)高爐實行合理的強化冶煉，要充分利用高頂壓、合理富氧、高風溫等技術措施，有利于提高煤粉置換比，提高噴煤比。

4)要保證噴吹用煤能保質保量穩定的供應，盡量不改變合理的無煙煤煙煤配比，有利于提高煤比和保證高爐穩定順行。

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1)控制硫含量，包括鐵水預處理、優化廢鋼資源等，優化與完善脫硫后鋼水的鈣處理工藝，控制好M nS夾雜在鋼水中的形態，避免Ⅱ類(長條狀)M nS出現；適當增加LF處理后軟吹時間，促進各類夾雜物的上浮與排除。凡是30mm以上的探傷板都進行 LF (VD)處理，精煉處理后鋼水w(S)小于0.006％[3]。

2)扇形段離線整備時要求內外弧對弧偏差控制在 ±0.15mm，1～6段開口度控制在 ±0.3 mm，7～12段輥縫值偏差控制在 ±0.5 mm。

3)鑄坯實行冷送模式，有利于氫等元素的擴散，減少氣體含量。保證鑄坯加熱時間和加熱品質，以促進鑄坯偏析元素的擴散，減輕偏析。適當降低預熱段溫度，避免鑄坯在加熱過程中產生較大內應力。

4)采用高溫大壓下軋制方式，增強變形滲透，破碎鑄坯原有的內部組織中粗大的柱狀晶或枝晶，改變或減輕偏析和疏松，充分壓合顯微氣孔。

5)軋后堆垛緩冷，減輕鋼板斷面帶狀組織，降低鑄坯中心偏析級別。

逐步采取上述措施后，鋼板超聲波探傷批次性不合的問題得到了解決，探傷合格率明顯提高，由以前的 80％提高到了目前的95％以上。

4 結語

對海洋工程用鋼板的檢測表明：由于中心偏析，使鋼板內部產生了微裂紋缺陷，從而導致了超聲波探傷不合格。通過在煉鋼、連鑄、加熱、軋制等工序采取一系列措施，可以明顯改善該缺陷。

1)鋼板中引起超聲波探傷不合格的內部缺陷是鋼板厚度中心珠光體帶狀組織中的微裂紋，連鑄板坯的中心線偏析被保留到鋼板組織中是鋼板中微裂紋形成的內部條件；

2)鑄坯冷送有利于氫元素擴散，減輕偏析，可明顯提高探傷合格率；

3)高溫大壓下軋制可以改變或減輕偏析和疏松；

4)軋制后對鋼板進行堆垛緩冷，有利于減輕鋼板斷面帶狀組織，降低鑄坯中心偏析級別，提高探傷合格率。

5 參考文獻

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DEEP DRAW ING SIM ULAT ION AND SPR ING BACK STRA IN ANALYSIS O F RECTANGULAR CASE BASE ON D IFFERENT BLANK SHAPE

Zeng L ianghua1E Daxin2(1.Zhuhai Co llege of Beijing Institute of Techno logy；2.Beijing Institute of Techno logy)

By d raw ingSim u lation of rectangu lar case w ith rectangu lar b lank and sheared b lank to dual phase steel DP600，this paper points out that the strain state and fracture mode changesw ith the b lank shape.By comparison it is also found that the rectangu lar b lank is ap t to rebound on the side wall while the sheared b lank basically does not.Thus the sheared blank can get greater fo rming dep th and better shape stability.

rectangu lar case high strength steel simu lation sp ring back analysis

＊聯系人：曾亮華，碩士，助教，廣東.珠海(519085)，北京理工大學珠海學院機械與車輛學院；

2010—5—24