溫度對薄板抗起皺性能的影響

劉迪輝　林成業(yè)

湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙,410082

溫度對薄板抗起皺性能的影響

劉迪輝林成業(yè)

湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙,410082

連續(xù)快速的冷沖壓經(jīng)一段時間后溫度升高會影響到薄板的抗起皺性能，為研究溫度變化對抗皺性能的具體影響，進(jìn)行了不同溫度下的單向拉伸試驗(yàn)和方板對角拉伸試驗(yàn),并得到了薄板拉伸件在常溫、75 ℃和150 ℃下的力學(xué)性能。單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著拉伸溫度的升高，薄板的彈性模量、屈服強(qiáng)度和切線模量都有不同程度的減小。利用得到的不同溫度下的材料參數(shù)對方板拉伸試驗(yàn)進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)和仿真的拉力-拉伸位移曲線吻合較好。對比仿真和試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),在研究的溫度范圍內(nèi)薄板的抗起皺性能易受溫度變化的影響,且隨著溫度升高先后經(jīng)歷了上升和下降的變化過程。

溫度;力學(xué)性能;抗起皺性能；方板對角拉伸試驗(yàn)

0　引言

汽車覆蓋件的成形多屬于大型薄板的沖壓成形，由于其成形過程中變形情況復(fù)雜,所以易出現(xiàn)起皺等問題。起皺的產(chǎn)生是由于存在與皺紋方向垂直的壓應(yīng)力。據(jù)此，崔會江等[1]提出起皺的臨界條件以說明薄板的抗起皺性能。薄板的抗起皺性能和許多因素有關(guān)，薄板的力學(xué)性能、板厚、軋制方向以及橫向加載情況都會對板料的抗起皺性能產(chǎn)生一定的影響[2-3]

在冷沖壓成形過程中,板料的變形產(chǎn)生的熱以及板料和模具摩擦產(chǎn)生的熱會使得模具和薄板的溫度升高[4-5]。在一定條件下,U形件連續(xù)快速沖壓甚至可使模具和薄板的溫度分別達(dá)到181 ℃和108 ℃[6]。嚴(yán)格來講，這種狀況下的沖壓已經(jīng)不能算真正意義上的冷沖壓了。溫度的升高引起板料力學(xué)性能的顯著變化[7],必然會對板料的抗皺性能產(chǎn)生一定的影響,從而直接影響到成形件的表面質(zhì)量，因此研究從常溫到一百多攝氏度這一溫度范圍內(nèi)溫度變化對薄板抗起皺性能的影響具有重要的意義。

當(dāng)前一個評價板料抗皺性的普遍的方法是進(jìn)行方板對角拉伸試驗(yàn)，亦稱吉田起皺試驗(yàn)(Yoshida buckling test,YBT)[8]。該試驗(yàn)自20世紀(jì)80年代日本學(xué)者吉田青太(Yoshida)提出以來，已成為研究板材抗皺性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)[9-10]。本文在常溫至150 ℃的溫度范圍內(nèi)選取數(shù)個溫度點(diǎn)進(jìn)行不同溫度下的方板對角拉伸試驗(yàn)及其仿真，通過對各拉伸狀態(tài)下最終的初始起皺時刻和最終起皺高度來評估不同溫度下板料的抗起皺性能,從而研究出溫度對薄板抗起皺性能的影響關(guān)系。

1　不同溫度下單向拉伸試驗(yàn)

圖1　帶環(huán)境箱的MTS試驗(yàn)機(jī)

為了研究溫度對薄板材料的各力學(xué)性能的影響，筆者進(jìn)行了不同溫度下的單向拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)在中南大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的一臺帶有環(huán)境箱的MTS Landmark電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)(圖1)上進(jìn)行,其加熱范圍為室溫到300℃。

試件材料選用的是DC04鋼板。作為深沖汽車用鋼，DC04鋼的塑性應(yīng)變比較大,主要用于對深沖特性有特殊要求的各類汽車部件。通過機(jī)械加工將薄鋼板加工成外形及尺寸如圖2所示的厚度為0.8 mm的拉伸件，拉伸件共9個，其軋制方向和長度方向一致。

圖2　單向拉伸試驗(yàn)試件模型

試驗(yàn)方法是將9個試件分成3組分別在室溫(23 ℃)、75 ℃以及150 ℃三檔溫度下用試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行拉伸，在每檔溫度下拉伸三個試件。具體試驗(yàn)過程為:將環(huán)境箱溫度分別設(shè)置成23 ℃、75 ℃以及150 ℃，待箱中溫度達(dá)到設(shè)置溫度后再將試件在其中保溫10 min以保證拉伸時試件的溫度與環(huán)境溫度一致。以0.01 mm/s的速度拉伸各試件，記錄下各個拉伸過程的數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析得出各個溫度下拉伸件的各個力學(xué)性能參數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得到材料的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過轉(zhuǎn)化成為真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3　試件材料不同溫度下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖3可以看出,溫度的升高使得拉伸件的彈性模量、屈服強(qiáng)度和切線模量都發(fā)生明顯的變化。由于在彈性部分的采樣點(diǎn)數(shù)較少，所以可以直接用該部分的數(shù)值計(jì)算取平均值得出各溫度下的試件材料的彈性模量。對于塑性變形部分,可以對該段曲線進(jìn)行擬合，得到的斜率就是切線模量。對塑性變形部分曲線的擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4　對塑性部分?jǐn)M合得到各切線模量

經(jīng)上述的計(jì)算和擬合處理，以及取0.2%的塑性變形處的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度得到的各溫度下試件材料DC04的彈性模量、切線模量和屈服強(qiáng)度，如表1所示。

表1　各溫度下試件材料參數(shù)

從表1可以看出,溫度從23 ℃升高到150 ℃對薄板材料的力學(xué)性能的影響是顯著的。隨著拉伸試件在拉伸過程中的溫度升高,薄板材料的彈性模量、切線模量和屈服強(qiáng)度都不同程度地減小了。與23 ℃下情況相比、150 ℃下薄板材料的彈性模量、切線模量和屈服強(qiáng)度分別下降了5.15%、18.4%和14.5%。

2　方板對角拉伸試驗(yàn)及仿真

2.1試驗(yàn)方法

為了研究溫度變化對薄板起皺性能的影響,進(jìn)行了23 ℃、75 ℃和150 ℃三個溫度狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)方板對角拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)同樣是在帶有環(huán)境箱的MTS Landmark電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。采用的試件為尺寸為100 mm×100 mm×0.8 mm的矩形方板，方板材料同樣為DC04，各溫度下的彈性模量、屈服強(qiáng)度以及切線模量均已通過拉伸試驗(yàn)獲得(表1)。同樣地，試驗(yàn)中共采用9個方板試件分為3組在三個溫度下進(jìn)行拉伸，在開始拉伸之前讓各試件在設(shè)定的溫度環(huán)境中保溫10 min以保證試件各部分都均勻地到達(dá)設(shè)定溫度。各方板在試驗(yàn)過程中的拉伸方向和薄板的軋制方向均保持一致，拉伸速度為0.01 mm/s。隨著拉伸的進(jìn)行,方板中間位置將開始發(fā)生屈服變形，變形高度隨拉伸的持續(xù)而變大。各試驗(yàn)均在方板兩端拉伸至5 mm時停止。

在各方板拉伸過程中，方板中心點(diǎn)出現(xiàn)起皺的起始時刻和最終的起皺高度可作為方板在該溫度狀態(tài)下抗皺性能的一個指標(biāo)[1]，方板中間位置發(fā)生水平位移越早，最終的起皺高度越高,則起皺性能越差。在測量方板中心點(diǎn)橫向位移即起皺高度方面進(jìn)行了許多嘗試，包括在拉伸機(jī)上夾頭的下端固定了一個耐高溫位移傳感器以及在下夾頭上用磁力固定一個接觸式位移傳感器來進(jìn)行測量。在各個試件的拉伸過程中,發(fā)現(xiàn)在75℃下各試件變形的時刻均比其他兩個溫度的試件變形時刻出現(xiàn)得更晚,且變形高度的發(fā)展也表現(xiàn)得更緩。以圖5為例,在三檔溫度下,各取一條接觸式位移傳感器測得的試件中心點(diǎn)的拉伸量-偏移距離曲線進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)75℃下薄板的抗皺性能優(yōu)于其他兩個溫度下的抗皺性能。因此可以推斷從常溫到150℃薄板的抗起皺性能經(jīng)歷了上升和下降的過程,具體的影響情況可通過有限元仿真來研究。

圖5　各溫度下方板中間點(diǎn)偏移值和拉伸量關(guān)系曲線

2.2仿真分析

仿真基于LS-DYNA的ETA前處理模塊，參照不同溫度下的YBT進(jìn)行。由于試件模型是對稱的，因此沿中間線截取其一半模型進(jìn)行仿真以節(jié)省運(yùn)算時間。模型的單元類型選擇4節(jié)點(diǎn)全積分單元，積分點(diǎn)數(shù)取9。材料模型選用ELASTIC_PLASTIC_THERMAL，設(shè)置23℃、75℃和150℃三檔溫度，分別輸入之前單向拉伸試驗(yàn)得到的材料參數(shù)。夾頭部分僅保留拉伸方向一個自由度，而方板中間線處僅鎖定一個拉伸方向的自由度。夾頭的拉伸速度設(shè)置為0.05 mm/ms,拉伸至2.5 mm停止,得到的變形后的方板試件的網(wǎng)格模型如圖6所示，節(jié)點(diǎn)725為方板中間點(diǎn)。

通過對各溫度下方板拉伸的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的夾頭拉伸力與拉伸位移的關(guān)系曲線進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn),仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。以75℃條件為例，其仿真結(jié)果曲線和試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線對比如圖7所示。因此YBT仿真結(jié)果能較為準(zhǔn)確地模擬方板的起皺情況。

圖6　經(jīng)拉伸后的半方板模型仿真結(jié)果

圖7　75℃下方板拉伸試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比圖

由于材料的彈性模量、切線模量以及屈服強(qiáng)度在所選溫度范圍內(nèi)和溫度基本上呈趨于線性的變化關(guān)系，因此在三檔溫度下三個參數(shù)連成的折線圖(圖8)中可以分別增取50 ℃和110 ℃的數(shù)值代入進(jìn)行仿真以增加參考點(diǎn)數(shù)。增取的方法是取50 ℃和110 ℃處各材料參數(shù)連成的折線的縱坐標(biāo)值，得到的材料參數(shù)見表2。

圖8　各材料參數(shù)在各溫度下連成的曲線

溫度θ(℃)彈性模量E(GPa)切線模量Et(GPa)屈服強(qiáng)度σ(MPa)50199.11.46132.4110194.11.33122.8

在拉伸過程中,方板起皺方向是隨機(jī)的，即方板中間點(diǎn)既有可能向正方向偏移也有可能向負(fù)方向偏移。為便于對比，將仿真結(jié)束后節(jié)點(diǎn)725偏移值為負(fù)的結(jié)果取反，得到各溫度下方板中心點(diǎn)即節(jié)點(diǎn)725處的偏移量和拉伸量的關(guān)系曲線見圖9。

圖9　各溫度下節(jié)點(diǎn)725偏移絕對值和時間的關(guān)系曲線

由于方板中間點(diǎn)開始發(fā)生屈服起皺時變化非常平緩,不易準(zhǔn)確看出開始發(fā)生起皺的時刻,因此取各方板中心點(diǎn)發(fā)生0.001 mm偏移量的時刻作為起皺的表征時刻進(jìn)行比較。通過對數(shù)據(jù)處理得到各個溫度下方板發(fā)生起皺時刻和最終起皺高度與溫度的關(guān)系如圖10所示。

(a)起皺時刻

(b)起皺高度圖10　各溫度下方板拉伸起皺時間和起皺高度的仿真結(jié)果

從圖10可以發(fā)現(xiàn)，在23～110 ℃溫度范圍內(nèi),隨溫度的升高，方板的起皺時刻延遲且最終起皺高度減小，因此板料的抗起皺性能隨之逐漸變強(qiáng)。當(dāng)溫度上升到150 ℃時,起皺時刻較110 ℃的情況提前,起皺高度增大,此時板料的抗起皺性能相對減弱。因此從23～150 ℃,方板的抗起皺性能經(jīng)歷了增強(qiáng)和減弱的過程,與試驗(yàn)結(jié)果吻合。顯然，在研究的溫度范圍內(nèi)能找到一個使方板的抗起皺性能達(dá)到最優(yōu)值的溫度點(diǎn)，其較精確的值需通過繼續(xù)增加多個溫度點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)和仿真獲得,可作后續(xù)研究。

3　結(jié)論

(1)溫度對材料性能參數(shù)有顯著的影響，隨著溫度的升高試件材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度和切線模量均不同程度地減小。

(2)通過對比不同溫度下方板拉伸試驗(yàn)和仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),從常溫到150℃薄板的抗起皺性能經(jīng)歷了上升和下降的過程，即溫度變化會對薄板的抗起皺性能產(chǎn)生影響且其影響結(jié)果是非單向變化的。

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(編輯王艷麗)

Effect of Temperature on Buckling-resistance of Thin Sheet Steel

Liu DihuiLin Chengye

State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body,Hunan University,Changsha,410082

Thin sheet will be heated after a period of time’s rapid continuous cold forming and its buckling-resistance will be influenced.In order to investigate the consequence of temperature variation on the sheet’s buckling-resistance,uniaxial tensile experiments and YBT at different temperatures were performed.The properties of thin sheet at 23℃, 75℃ and 150℃ were acquired respectively and it is found that the elasticity modulus,yield stress and tangent modulus decrease when temperature rises.The finite element simulations of YBT at different temperatures were done with the property’s parameters obtained,and a good agreement between force-displacement curves of YBT and the simulations is found.The comparison of results of YBT and the finite element simulations indicates that thin sheet’s buckling-resistance is susceptible to the changes of temperature and it goes through the change processes of rise and fall when temperature rises from room temperature to 150℃.

temperature;mechanical properties;buckling-resistance;Yoshida buckling test(YBT)

2014-07-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50905057)

TG381DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.10.021

劉迪輝,男,1975年生。湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授。主要研究方向?yàn)槠囓嚿頉_壓CAE技術(shù)、汽車用鋼力學(xué)性能、汽車安全。發(fā)表論文20余篇。林成業(yè),男,1989年生。湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生。