基于Dynaform獲取鋁合金成形極限的試驗及理論研究

楊瀅鑫，鄭燕萍，王列亮，昌誠程

(南京林業大學汽車與交通工程學院，南京210037)

汽車輕量化是汽車節能和環保的最基本途徑之一［1］。在當前轎車生產中，由于鋁合金材料具有輕質、自然防腐、強度范圍廣等優良性能，因此越來越廣泛地被應用在汽車車身沖壓制造中［2～3］。但目前許多轎車上采用的鋁合金板料是直接從國外進口［4］，在進行板料沖壓成形過程中缺少材料的成形極限圖(Forming Limit Diagram，FLD)［5］。

而FLD是對金屬板料沖壓成形性能的一種定量描述，能夠簡單直觀地判斷材料的綜合成形性能，對研究金屬板料沖壓成形十分重要。因此，本文以某牌號的鋁合金板料為研究對象，根據試驗國標，提出一種基于試驗仿真獲取成形極限圖的方法，為國內有關獲取鋁合金成形極限圖的工程問題提供參考［6］。

1 鋁合金板料試驗

試驗用材是厚度為1．2 mm的牌號GMW15192M-AL-S-5000-ST-90-90-U鋁合金板料，該材料類似于國內5000系列鋁合金，但其成形性能要優于5000系列鋁合金，為客戶指定用材，化學成分如表1所示。由于該種鋁合金材料性能參數難以直接獲得，所以先要做一些相關材料性能試驗，包括單向拉伸試驗、杯突試驗、成形極限曲線測定試驗。

1．1 單向拉伸試驗

試驗前需要將鋁合金板料加工成標準拉伸試樣。試樣根據國標GB/T228-2002設計，板料通過線切割得到標準尺寸，拉伸試樣分別從鋁合金板料與軋制方向成0°、45°、90°三個方向上切割，每個方向切割25個標準拉伸試樣，以備后面試驗所用，如圖1所示為標準拉伸試樣尺寸實際試樣。本試驗在美特斯公司生產的拉力試驗機上完成。

通過拉伸試驗獲得不同厚度鋁合金板料的應力應變曲線如圖2所示。

表1 鋁合金板料化學成分 %Tab．1 Chemical composition of aluminum alloy sheet

圖1 標準拉伸試樣尺寸和試驗試樣/mmFig．1 Standard tensile samples size and test sample

圖2 應力應變曲線Fig．2 Stress-strain curve

所獲得的鋁合金力學性能參數如下:抗拉強度=236 MPa，屈服強度 =133 MPa，硬化指數 =0．26，延伸率 =26．5%。

1．2 杯突試驗

本試驗根據GB/T-4156-2007設計試驗樣件，樣件尺寸為100 mm×100 mm的正方形，通過線切割完成樣件的制作。試驗設備為美特斯公司的自動杯突試驗機。

試驗完成后如圖3所示，試件中間部位凸起，在靠近頂部位置已產生裂縫。

圖3 試驗結果樣件Fig．3 The test results of the samples

試驗結果如下:試樣厚度為1．2 mm，4次試驗杯突值分別為17．788、15．974、12．831、14．211 mm，4 次試驗力分別為 8．998、9．356、9．007、8．908 kN，4 次 試 驗 速 度:25．291、26．368、26．604、26．781 mm/min。同種材料做4次試驗取平均值，平均杯突值15．2 mm，平均試驗速度26 mm/min。

1．3 成形極限曲線測定試驗

由于不同長寬比的試樣在做FLD試驗時所受的應力狀態不同。本文采用改變試樣長寬比的方法進行鋁合金板料的FLD試驗。通過線切割制成所需成形極限試樣，試樣長度為180 mm，寬度分別為 40、60、80、90、100、120、140、160、180 mm。當試樣寬度遞增時，試件所受的應力狀態從單向拉伸逐步過渡到雙向等拉伸，從而得到不同應變狀態下的極限應變，獲得完整的FLD。根據GB/T 15825．8-2008試驗標準，試樣兩邊開槽，防止試樣在凹模圓角處發生破裂，使最大應變發生在試樣中間部分。

為了測定試樣的表面應變量，需要在試樣表面印制一定數量的網格圓，網格圓的數量和排列圖案自行設計。本文采用如圖4所示的網格圓圖案，通過電化學腐蝕將網格印在試樣的一面。試樣通過試驗后，運用工程應變比例尺測量試樣表面上網格圓變形后的形狀，如圖5所示，變形后網格圓的長軸記作d1、短軸記作d2。

圖4 網格圖案Fig．4 The grid pattern

圖5 網格圓變形與測量Fig．5 Grid round deformation and measurement

根據所測得的數據，利用公式(1)計算試樣表面的應變值。ε、ε2為應變量。本文經試驗、測量和計算后，可以繪制出試驗法所得到的成形極限圖。

從上述試驗中可知，試驗方法獲取鋁合金板料成形極限圖費時費力費料，且影響因素較多。隨著計算機技術和理論算法的發展，利用有限元軟件，可將材料的塑性本構方程與屈服準則結合，仿真出板料成形過程中的受力情況，本文是采用Dynaform軟件進行的有限元仿真。

2 有限元試驗仿真

2．1 有限元模型的建立

板料成形有限元數值分析常用的單元類型主要有薄膜單元、殼單元以及實體單元這3類［7］。在研究汽車覆蓋件板料沖壓成形有限元數值仿真中板殼單元被廣泛應用［8］。本文選用Dynaform中自帶的SHELL163:顯式薄殼單元。選定單元之后開始在三維軟件UG中建立毛坯、凸模、凹模及壓邊圈的幾何模型，凹模直徑為105mm，凸模直徑為100 mm，板料厚度為1．2 mm，圓角半徑為8 mm。再導出為Dynaform軟件可導入的IGS格式文件。在導入Dynaform軟件后進行網格劃分，如圖6所示。

依據上述試驗法設置仿真工藝參數如下:凸模的摩擦系數=0．125，凹模的摩擦系數=0．125，壓邊圈摩擦系數=0．125，沖壓速度=2 000 mm/s，壓邊圈閉合速度=1 000 mm/s，壓邊力=30 000 N。

圖6 FLD試驗的有限元模型Fig．6 The finite element model of FLD test

2．2 FLD仿真試驗過程中極限應變的獲取

在實際試驗中，可以通過傳感器或者肉眼觀察板料的頸縮，但是有限元軟件無法自行確定板料何時何處已經產生局部頸縮失穩而停止計算。所以需要一個有效的判斷準則來判斷板料何時發生頸縮或破裂，以獲得極限應變數據。根據陳光南等對板料失穩及成形極限的研究［9］，可以采用的失穩判斷方法有:最大凸模壓力出現時刻判斷方法，單元應變路徑突變判斷方法，單元最大減薄率判斷方法［10］、應變改變量判斷方法和厚度變化梯度判斷方法等［11］。經過仿真與試驗數據的對比，針對鋁合金板料的性能試驗，本文試驗仿真中采用了前兩種失穩的判斷方法。

2．2．1 最大凸模壓力出現時刻判斷法

如圖7所示，圖7為從Dynaform軟件中提取的試樣在仿真過程中所受凸模力與凸模運行時間之間的關系，凸模力隨時間逐步增加至最大值后迅速下降。這與實際FLD試驗中板料所受載荷是一樣的，在試驗中試樣所受凸模壓力突然下降的時刻，試樣發生了頸縮并接著馬上出現破裂。由此可以判斷受力峰值時刻就是板料頸縮時刻，找到凸模壓力出現峰值的時刻，然后找到同一時刻中主應變最大的單元，讀出此單元的最大主應變和最小主應變就可以得到這個應變區域內的極限應變。再通過改變板料尺寸即可分別獲得不同尺寸板料的極限應變數據，從而得到完整的成形極限圖［12］。

圖7 凸模載荷和時間關系曲線Fig．7 Punch load and time relation curve

2．2．2 單元應變路徑突變判斷法

判斷板料失穩亦可以從應變路徑突變的角度判斷，根據M-K理論可知［13］，平面應變狀態的出現是板料產生集中性失穩的原因。如圖8所示，圖中箭頭所指的時間步即表示該單元已經達到應變極限值發生失穩。讀出此時該單元的最大主應變和最小主應變即獲取此試樣的極限應變數據，同理可得到不同尺寸試樣的極限應變數據，便可得到完整的成形極限圖。

圖8 Dynaform仿真最大單元應變路徑情況Fig．8 Dynaform simulated maximum strain path

2．3 成形極限圖的獲取

最大凸模壓力出現時刻判斷方法繪制的成形極限圖如圖9所示，由圖9可知通過數值仿真獲取的數據點的整體走勢與試驗獲取的成形極限圖走勢基本相同，而左半部分比右半部分更與試驗數據吻合，這是因為凸模壓力達到最大值之后并沒有立即減小，而是有一段緩慢的減小過渡段，如圖7所示，在此過渡段鋁合金板料并沒有立即出現破裂，可能只是出現頸縮現象，而后才破裂，凸模力明顯下降，因此選擇凸模壓力最大值時刻會導致數據偏低。所以選擇失穩點時間時選擇凸模壓力明顯下降的時刻，得到的仿真數據將更為準確。綜上可知，最大凸模壓力判斷方法比較適合預測成形極限圖左半部分。

圖9 最大凸模壓力法的成形極限圖Fig．9 Forming limit diagram of the maximum punch pressure method

由單元應變路徑突變判斷方法繪制的成形極限圖如圖10所示，由圖10可知通過單元應變路徑突變判斷方法獲取的數據點的整體走勢與試驗獲取的成形極限圖走勢基本相同。單元應變路徑突變判斷方法獲取成形極限圖左右部分對比，可見右半部分相比于左半部分與試驗數據更加吻合。綜上可知，單元應變路徑突變判斷方法比較適合預測成形極限圖右半部分。

圖10 單元應變路徑突變法成形極限圖Fig．10 Forming limit diagram of the cell strain path mutation method

2．4 綜合判斷方法

以上分別繪制了單元應變路徑突變方法、最大凸模壓力方法獲得的仿真數據。本文將最大凸模壓力方法與單元應變路徑突變方法相結合，用最大凸模壓力方法預測成形極限圖的左半部分及拉壓區，用單元應變路徑突變方法預測右部分即雙拉區。這種方法主要做一組數值仿真試驗，只需在后處理分別運用兩種方法獲取數據。綜合判斷方法繪制圖如圖11所示，從圖11中可見仿真數據與試驗數據吻合的較好。

圖11 綜合判斷方法的成形極限圖Fig．11 Forming limit diagram of the comprehensive judgment method

3 結論

(1)本文針對進口鋁合金板料缺少材料成形極限圖的問題，根據國標進行了鋁合金材料性能的試驗。通過試驗獲得了鋁合金板料各項力學性能參數和成形極限曲線，為國內有關獲取鋁合金成形極限圖的工程問題提供參考。

(2)基于Dynaform平臺進行有限元仿真，根據鋁合金板料失穩理論，提出了一種綜合判斷鋁合金板料失穩的方法，獲得鋁合金成形極限圖，與試驗數據吻合度較高。

［1］馬鳴圖，易紅亮，路洪洲．論汽車輕量化［J］．中國工程科學，2009(11):20-27．

［2］朱則剛．細論車用鋁材發展未來［J］．資源再生，2012(5):44-46．

［3］易 杰．基于仿真的A356鋁合金金屬型低壓鑄造工藝的研究［D］．長沙:湖南大學，2009．

［4］關紹康，姚 波．汽車鋁合金車身板材的研究現狀及發展趨勢［J］．機械工程材料，2001，25(5):12-18．

［5］王 輝．成形極限圖的獲取方法與其在金屬板料成形中的應用［D］．南京:南京航空航天大學，2011．

［6］韓 非，萬 敏，吳向東．板料成形極限理論與試驗研究進展［J］．塑性工程學報，2006(3):80-85．

［7］陳文亮．板料成形CAE分析［M］．北京:機械工業出版社，2005．

［8］J．E．艾金．有限元法的應用與實現［M］．北京:科學出版社，1992．

［9］陳光南．板材拉伸變形損傷、失穩與成形極限研究［D］．北京:北京航空航天大學，1991．

［10］翟妮芝．數值模擬在板材成形極限分析中的應用［D］．西安:西北工業大學，2007．

［11］陳 偉，郭偉剛，侯 波．基于厚度梯度準則的薄板成形極限圖建立方法［J］．中國機械工程，2007，18(9)，2246-2249．

［12］王 輝，高 霖，趙明琦．一種基于有限元仿真的板料成形極限預測方法［J］．山東大學學報(工學版)，2006，36(2):95-103．

［13］杜平梅，郎利輝，劉寶勝，等．基于M-K模型的成形極限預測及參數影響［J］．塑性工程學報，2011，18(5):84-89．