基于有限元法的高強度鋼板SPCC成形極限圖研究*

田麗雯,門長峰1

(1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機械工程學(xué)院,天津 300222;2.天津高速切削與精密加工重點實驗室,天津 300222)

基于有限元法的高強度鋼板SPCC成形極限圖研究*

田麗雯1,2,門長峰1

(1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機械工程學(xué)院,天津 300222;2.天津高速切削與精密加工重點實驗室,天津 300222)

基于有限元模擬軟件dynaform,結(jié)合最大載荷判斷準則和應(yīng)變路徑判斷準則,獲取極限應(yīng)變數(shù)據(jù),從而準確地確定高強度鋼板SPCC的成形極限圖。利用有限元模擬方法較為方便的研究了不同摩擦條件以及不同應(yīng)變速率條件下的成形極限曲線規(guī)律,為生產(chǎn)實踐提供依據(jù)。

有限元模擬;成形極限圖;摩擦條件;應(yīng)變速率

0 引 言

航空航天,汽車,電子及家用電器等許多零件覆蓋件都是板料沖壓成形的。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計,板料經(jīng)沖壓變形后,創(chuàng)造的價值為原材料的10倍,經(jīng)板材成形后得到產(chǎn)品價值約占總值的1/3[1]。成形極限圖是判斷和衡量板料成形性能最為簡單和直觀的方法,反映了板料在塑性失穩(wěn)前能取得的最大變形能力[2]。因此,研究影響成形極限圖的因素具有重大意義。

FLD(成形極限圖)的獲取方法有理論預(yù)測,實驗測定,數(shù)值模擬[3]3種方式。理論預(yù)測FLD主要是通過采用不同的拉伸失穩(wěn)準則來判斷頸縮與破裂。實驗測定FLD可運用傳統(tǒng)印制網(wǎng)格法和數(shù)字圖像相關(guān)法。在生產(chǎn)實踐中,用實驗方法獲得板料的成形極限曲線需要復(fù)雜的設(shè)備以及消耗大量的材料,操作人員對試驗結(jié)果影響較大,且不能直接研究復(fù)雜工藝條件下成形性能的影響因素[4]。

隨著有限元方法的迅速發(fā)展,模擬仿真在某種程度上替代了實驗測定和理論預(yù)測,為獲得成形極限曲線提供一種快速有效的方法。通過有限元分析方法,僅用簡單的單向拉伸得到的材料參數(shù),仿真后獲得成形極限曲線,并廣泛受到了關(guān)注與應(yīng)用[5]。

按照國標推薦的尺寸設(shè)計了9組試樣,逐一進行有限元仿真,利用最大載荷判斷準則和改變應(yīng)變路徑法,獲取極限應(yīng)變,得到基于模擬仿真的成形極限曲線,并研究了不同摩擦條件、不同應(yīng)變速率對高強度鋼板成形性能的影響。

1 數(shù)值模擬獲得板料成形極限圖的方法

1.1 仿真試樣的形狀與尺寸

本次研究選用材料為高強度鋼板SPCC,單向拉伸實驗測得其基本成形性能參數(shù)如表1所列。

表1 材料的基本力學(xué)性能參數(shù)

采用改變試樣寬度的方法,按照國標推薦的尺寸設(shè)計了9組試樣,試樣的直徑為180 mm,寬度范圍為20 mm遞增到180 mm,間隔為20 mm。試樣的具體尺寸如圖1所示。寬度不同,試樣所受到的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)也不同。在仿真過程中所受的應(yīng)力狀態(tài)也從單向拉應(yīng)力逐步過渡到雙向拉應(yīng)力,從而得到不同應(yīng)變路徑下的極限應(yīng)變,獲得完整的成形極限圖。

圖1 FLD仿真試樣的形狀與尺寸

1.2 有限元模型的建立

根據(jù)圖1中FLD試樣的幾何尺寸,進行凸凹模,壓邊圈和板料建模,模型應(yīng)與試驗?zāi)＞咝螤睢⒊叽缤耆嗤?將導(dǎo)出的“igs”格式文件導(dǎo)入到有限元分析軟件dynaform中,劃分網(wǎng)格,結(jié)果如圖2所示。本文進行有限元數(shù)值模擬時,取凸模行程為50 mm(凸模行程應(yīng)遠大于試驗值),壓邊圈釆用虛擬速度2 500 mm/s,凸模采用虛擬速度3 500 mm/s。壓邊力釆用實際試驗值2 000 kN(保證在成形過程中凸緣部分材料不發(fā)生流動)。

圖2 FLD有限元幾何模型

1.3 極限應(yīng)變判斷準則

在Dynaform后處理器中可以看到板料在沖壓過程成形極限圖和厚度變化圖,以及每一步每個點的最大最小應(yīng)變值,但是通過這些模擬所得數(shù)據(jù),我們無法判斷板料變形過程中何時出現(xiàn)縮頸或斷裂。

最大載荷判斷法:通過凸模載荷和行程的關(guān)系曲線。如圖3所示,凸模在沖壓過程中所受載荷隨時間先是逐漸上升,到達頂峰后,忽然下降,此時板料發(fā)生了縮頸緊接著斷裂。找到凸模壓力達到峰值時的時間,找到此時間對應(yīng)的步數(shù),讀出最大主應(yīng)變單元的最大和最小主應(yīng)變值,進而得到這塊板料的極限應(yīng)變。這一方法僅適用于寬度較窄的試樣,利用此最大載荷判斷準則,獲取1～6個尺寸板料的極限應(yīng)變,從而獲取FLD左邊的曲線。

對于較寬的試件(6,7,8),采用應(yīng)變路徑判斷方法。陳光南等人認為載荷產(chǎn)生集中性失穩(wěn),是由平面應(yīng)變狀態(tài)的出現(xiàn)引起[6]。在數(shù)值模擬結(jié)果中可看到出現(xiàn)最大應(yīng)變單元的應(yīng)變路徑往往都會經(jīng)歷線性穩(wěn)定增加到向平面應(yīng)變狀態(tài)變化的過程,此過程會產(chǎn)生一個頸縮點,應(yīng)變忽然轉(zhuǎn)向平面應(yīng)變狀態(tài)。如圖4所示,最大主應(yīng)變忽然急速增加,最小主應(yīng)變卻緩慢增加,在轉(zhuǎn)折點處實際上就出現(xiàn)了縮頸,這一方法僅適用于寬度較寬的試樣。

圖3 凸模載荷和凸模行程關(guān)系曲線

圖4 第七根試樣頸縮點判斷過程

1.4 仿真結(jié)果

仿真獲得的FLD如圖5。FLD左側(cè)部分是拉壓區(qū),符合一次函數(shù),右側(cè)是拉拉區(qū),符合三次曲線。

圖5 仿真得到的FLD圖

2 影響成形極限圖的因素

2.1 摩擦條件對板料成形的影響

摩擦條件是影響板料成形的一個關(guān)鍵性因素,它增大了板材變形時所需的載荷;阻礙了金屬流動,引起了不均勻變形,導(dǎo)致了板料局部破裂[7]。然而某些情形下,摩擦條件也會產(chǎn)生一些有利作用,例如在拉深成形中,板料與凸模的摩擦值比凸模與凹模的摩擦值較高點,是便于成形的。因此,研究摩擦條件的影響規(guī)律對板料成形質(zhì)量是非常重要。

基于dynaform有限元軟件,設(shè)定凸模摩擦系數(shù)f分別為0.05、0.15、0.3。f=0.05表示很好的潤滑狀態(tài),f=0.15表示沖壓成形過程中一般的潤滑狀態(tài),而f=0.3則表示沒有加任何潤滑劑時的狀態(tài)。凹模和壓邊圈的摩擦值要比凸模的摩擦值大0.1,為0.15、0.25、0.4,其它參數(shù)值保持不變。

從圖6模擬結(jié)果中看出,不同摩擦條件對FLD曲線的影響不同,FLD曲線的高度會隨摩擦系數(shù)f值的增大而明顯降低。摩擦系數(shù)對FLD曲線拉拉區(qū)的影響較大。當(dāng)f=0.3時,FLD曲線的高度較低;而當(dāng)f=0.05時,FLD曲線的高度較高,且表現(xiàn)出了較好的成形性。

圖6 不同摩擦條件對FLD曲線的影響

2.2 應(yīng)變速率對板料成形的影響

金屬材料塑性變形過程中,需要一些反應(yīng)時間,應(yīng)變速率越低對金屬的塑性變形有利,應(yīng)變速率較高,有助于晶粒細化的產(chǎn)生[8]。因此,研究應(yīng)變速率的影響,對板料FLD曲線同樣重要,如圖7所示。

圖7 100℃和200℃應(yīng)變速率對FLD曲線的影響

從圖7模擬結(jié)果中看出,不同應(yīng)變速率對FLD曲線的影響不同。FLD曲線的高度隨應(yīng)變速率值的增大而顯著降低。應(yīng)變速率對高強度鋼板SPCC成形性的影響與成形溫度有關(guān),100℃下應(yīng)變速率的影響要明顯小于200℃。這與文獻描述一致,說明采用數(shù)值模擬的方法能更好得分析板材成形過程中的影響因素。

3 結(jié) 論

(1)數(shù)值模擬獲取成形極限曲線時應(yīng)采用兩種判斷準則:左側(cè)拉壓區(qū)采用最大載荷判斷準則,右側(cè)拉拉區(qū)采用應(yīng)變路徑判斷準則。綜合兩個準則,能較準確地確定高強度鋼板SPCC模擬仿真試驗的極限應(yīng)變數(shù)據(jù)。

(2)摩擦條件不同對板料成形性的影響不同。摩擦值越高,成形極限曲線高度越低,并且摩擦值對FLD曲線右側(cè)拉拉區(qū)的影響更大。

(3)應(yīng)變速率不同對板料成形性的影響不同。應(yīng)變速率與成形溫度有關(guān),100℃下應(yīng)變速率對FLD曲線的影響要明顯小于200℃。

[1]李 毅.AZ31鎂合金板材熱態(tài)下成形極限圖的試驗硏究與數(shù)值模擬[D].太原:太原理工大學(xué),2013.

[2]易國鋒,柳玉起,杜 亭.板料FLD試驗脹形沖頭形狀影響研究[J].華中科技大學(xué),2013,41(6):16-19.

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[4]張小龍.AZ31鎂合金板材熱態(tài)下成形極限圖的理論預(yù)測與數(shù)值模擬[D].太原:太原理工大學(xué),2013.

[5]劉振勇,李亞光,李大永.5754-H111鋁合金板材成形極限實驗及數(shù)值模擬[J].鍛壓技術(shù),2014,39(1):35-40.

[6]顧 然.板料成形極限測量與分析方法研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2010.

[7]翟妮之.數(shù)值模擬在板料成形極限分析中的應(yīng)用[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2007.

[8]曹曉卿,劉 毅,王敬偉,等.AZ31鎂合金薄板在熱態(tài)下的成形極限圖及其應(yīng)用[J].稀有金屬材料與工程,2013,42(3):550-555.

Research on Form ing Lim it Diagram of High Strength Steel Sheet(SPCC) Based on the Finite Element M ethod

TIAN Li-wen1,2,MEN Chang-feng1
(1.College ofMechanical Engineering,Tianjin University of Technology and Education,Tianjin 300222,China; 2.Tianjin Key Laboratory ofHigh Speed Cutting&Precision Machining,Tianjin 300222,China)

In this article,based on the finite element simulation software dynaform,and combining with the maximum load judgment criterion and the strain path judgment criterion,the ultimate strain data is obtained so as to accurately determine the forming limit diagram of high strength steel sheet(SPCC).The finite element simulation method ismore convenient to study the forming limit curve pattern under different friction conditions and different strain rate,thus to provide the basis for production practice.

FEM simulation;forming limit diagram;friction condition;strain rate

TG386

A

1007-4414(2015)06-0056-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.020

2015-10-12

田麗雯(1989-),女,山西晉中人,碩士研究生,研究方向:模具數(shù)字化制造。