板材冲压过程中回弹、制耳的数值研究镁合金汽车零件强度分析及锻造

上海交通大学博士后士学位论文板材冲压过程中回弹、制耳的数值研究,镁合金汽车零件强度分析及锻造成形仿真姓名：李大永申请学位级别：博士后士专业：材料科学与工程指导教师：彭颖红2002.9.1板材冲压过程中回弹、制耳的数值研究,镁合金汽车零件强度分析及锻造成形仿真作者：李大永学位授予单位：上海交通大学相似文献(10条)1.学位论文丁建成一种新型本构在大变形弹塑性有限元中的应用1999板材冲压成形是金属成形的一种重要方法,在机械加工业中占有重要地位.从力学观点看,冲压成形过程是几何、物理和边界三重强非线性问题.必须立足于以计算机为基础的数值方法来预测其成形规律.在板材冲压成形的有限元仿真中,描述应力和应变关系的本构模型是非常重要的,大多数的轧制板材呈现初始各向异性,有一些材料还呈现出应变速率敏感性,这两种性质都对成形性有影响.为了准确模拟冲压过程中板材的塑性变形力学行为,建立考虑各向异性和应变速率敏感的本构模型是必不可少的一步.该文根据Barlat六分量屈服函数建立了全空间各向异性本构模型,并将其引入到弹塑性大变形软件KMAS系统中,数值模拟并讨论了各向异性系数R值对板材成形压边制耳现象的影响.该文还将压机速度敏感性引入到KMAS软件系统的本构模型中分析了一种HPC35材料在单拉实验中的压机速度敏感性,并与已有的实验结果进行比较与分析.2.学位论文陈林AZ31B镁合金板材冲压成形性能研究及改善2006镁合金具有密度低、比强度高、电磁屏蔽能力强等优点，已经作为新型的结构材料广泛地应用在航天航空、交通工具、电子通讯等领域。镁合金冲压产品较铸造产品具有更广阔的应用前景。本文以AZ31B镁合金板材为研究对象，通过单向拉伸试验、杯突试验、swift圆筒拉深试验、弯曲试验和成形极限图试验分析得出了一系列具有重要参考意义的镁合金板材冲压成形性能数据。并且从提高材料性能和改善冲压工艺两方面入手，分别进行了轧制工艺优化试验和板料实物冲压试验。通过一系列板料冲压成形性能试验发现，镁合金板材的应变硬化指数最低为0.18，通过改进轧制工艺可达到0.2以上；铸锭单向轧制板材的塑性应变比为1.29，交叉轧制的板材的r值为1.59，而挤压轧制后板材的塑性应变比可达1.7；抗拉强度在270MPa以上，延伸率可达16％；镁合金板材的平均杯突值为4.57mm；室温下极限拉深系数为0.77~0.80，在坯料和凹模加热至200~210℃，冲头加热至70~80℃情况下，其极限拉伸系数为0.39~0.40；最小相对弯曲半径约在4.7~5.0；室温下热轧镁合金板材的成形极限图水平较低，其FLD0约在12％左右。通过锭锭轧制和挤压轧制工艺实验发现，虽然挤压轧制工艺对成品板材的抗拉强度和延伸率的提高幅度不大，但由于挤压加工具有温降小、变形量大、强烈均匀的三向压应力状态等优点，因而挤压板坯较热轧板坯而言具有组织均匀细小、高强度和高延伸率等优点。采用挤压开坯再进行温轧和冷轧的轧制工艺可以显著提高轧制的成品率，减少轧制时间，提高生产率。而采用交叉轧制工艺较单向轧制工艺而言，可明显提高成品板材的屈服强度、抗拉强度和塑性应变比，减小板材的各向异性。此外本文以0.8mm厚薄板为材料进行了杯形件的实物冲压试验，探索了压边力、成形温度和冲压深度等工艺条件对镁合金板材冲压结果的影响，并在此基础上自行设计了一套手机外壳生产模具及工艺，成功生产出了质量完好的镁合金手机外壳。3.期刊论文张秀娟.刘彦奎.魏延刚.运新兵.韩锋.郑勇福.ZHANGXiu-juan.LIUYan-kui.WEIYan-gang.YUNXin-bing.HANFeng.ZHENGYong-fu各向异性铝合金板材本构关系及其有限元模拟-大连交通大学学报2008,29(6)为了减轻自身重量,采用铝合金板材和冲压成形工艺制造高速列车车体已经成为现代化铁路车辆的发展方向.但是,铝合金板材的力学性能是各向异性的,其冲压成形过程复杂,变形规律不易把握.采用Barlat三参数屈服准则获得了各向异性铝合金板材的应力应变关系曲线,并通过有限元模拟和拉伸实验进行了对比验证,结果表明采用Barlat三参数屈服准则获得的各向异性铝合金板材的应力应变关系曲线可应用于各向异性铝合金板材的有限元分析,并初步对各向异性铝合金板材的冲压成形过程进行了非线性接触有限元模拟,获得了比较理想的有限元分析结果,这对改进高速列车车体加工工艺、缩短冲压模具调试周期、降低生产成本具有积极的意义.4.学位论文柳玉起板材成形塑性流动规律及起皱破裂回弹的数值研究1995板材冲压成形是金属形成的一种重要方法,在机械加工业中占有重要地位.从力学观点来看,冲压成形过程是几何、物理和边界三重强非线性问题,必须立足于以计算机为基础的数值方法来预测其成形规律.作者结合吉林省科委《板材冲压成形过程计算机模拟》课题,采用逐级更新Lagrange法以及有限变形虚功率增率型原理的弹塑性大变形有限元法,详细研究了金属板材成形的塑性流动规律,成形过程中发生的鼓动、起皱与破裂现象,以及成形后的回弹等问题.5.学位论文韩永志铝合金板料深冲成形的晶体塑性有限元模拟2009金属板材经过机械变形或热处理以后通常会显示出各向异性，这种各向异性会对板材成形性能产生较大的影响。近年来，随着计算机技术和有限元技术的飞速发展，板材冲压成形的数值模拟取得了很大的进展，金属薄板冲压成形过程的计算机模拟技术已经逐渐从实验室走向实际应用。为了提高数值模拟的准确性，已经有大量研究致力于如何将各向异性性能引入到有限元模拟过程之中。为了满足汽车轻量化的要求，各种轻量化材料得到了迅猛的发展。与汽车用钢板相比，铝合金板具有密度小、强度高、耐锈蚀等优点，能满足汽车轻量化的特殊要求，已成为汽车轻量化技术中替代钢板的主要材料。由于晶体结构上的差别，传统钢板的成形理论和技术不能直接用到铝合金板上，需要探索出适合汽车用铝合金板自身的冲压成形理论和技术。本文对5A02铝合金板料深冲过程进行了实验研究，并基于晶体塑性变形的微观滑移机理和硬化机制，在率相关晶体塑性本构理论框架下，实现了5A02铝合金板料深冲过程的晶体塑性有限元模拟。研究了深冲过程中的制耳和板厚的分布情况，揭示了最大厚度和最小厚度的变化规律，分析了摩擦系数和压边力对制耳轮廓的影响，并进一步预测了极限拉深系数值。结果表明：晶体塑性有限元法模拟的制耳轮廓的高度和极限拉深系数值与实测值比较吻合，随着摩擦系数和压边力增大，制耳轮廓高度也增加，板料的厚度变化与实际情况一致。6.学位论文黄世清正交各向异性金属板材的弹塑性屈曲及后屈曲分析2002该文以金属板材冲压成形为工程背景,对正交各向异性金属板材在冲压成形过程中的弹塑性起皱现象进行了系统的理论分析.有关结论既是对塑性力学的丰富和发展,也可为工程实际提供必要的理论依据.首先,该文提出了混合硬化正交各向异性材料的屈服准则,解决了Hill准则中屈服准则与静水压力无关的矛盾,并推导了相关的塑性流动法则,得到了混合硬化正交各向异性材料的弹塑性本构关系.它可适用于复杂的应力状态和复杂的应力路径,能够反映出塑性变形历史对材料当前的应力-应变关系的影响.其次,该文以上述混合硬化正交各向异性应力-应变关系为基础,利用Hill的分叉点屈曲理论,推导了正交各向异性薄板在受面内非均匀压缩情况下的弹塑性屈曲方程,计算了相应的临界荷载,并讨论了几何形状、边界条件和诱导荷载比等因素对临界应力的影响.再次,该文放弃Kirchhoff直法线假设.采用Am6auyMH各向异性中厚板理论,分析了板的横向剪切变形、几何形状和材料属性等对中厚板的弹塑性屈曲临界荷载的影响规律.另外,该文还对正交各向异性薄板的弹塑性后屈曲行为进行了研究,得出了板在发生弹塑性屈曲以后,荷载随位移的变化路径以及板的最大承载能力.7.学位论文卢志文AZ31B镁合金板材的冲压性能及工艺技术研究2006镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、抗震及减震性强、电磁屏蔽效果优异及易于回收等一系列优点，在电子、汽车、航空和航天等领域具有广阔的应用前景，被誉为是21世纪最具发展前途的金属材料。变形镁合金比铸造镁合金晶粒细小，成分偏析低，具有较好的强度和塑性，是性能优良的镁合金。但是，由于镁为密排六方结构，塑性变形能力差，加工成品率低，制约了其应用。本论文主要通过试验研究获得镁合金板材的冲压性能基本数据，研究镁合金板材冲压成形工艺技术，以扩大镁合金板材应用领域。AZ31B镁合金是目前应用最多和性能优异的变形镁合金，可进行热轧、温轧、冷轧等成形工艺。研究轧制工艺对AZ31B镁合金板材冲压性能的影响，热轧工艺是镁合金板的主要轧制工艺。400oC以上热轧时，可以采用大的道次压下量，改善板材组织，提高性能，改善其冲压性能。温轧工艺效果对提高性能效果一般，冷轧加退火工艺能够显著改善组织，提高力学性能，提高冲压性能。通过对比研究热轧交叉轧制和单向轧制工艺，交叉轧制可以改善板中的内晶粒取向，提高板材综合力学性能，降低各向异性，从而提高板材的冲压性能。通过AZ31B镁合金板材拉伸实验和冲压工艺模拟实验，研究了镁合金板材的基本冲压性能和模拟冲压性能。基本冲压性能即用基本力学性能表征的板材冲压性能。AZ31B镁合金热轧板材室温下抗拉强度Rm为235MPa，延伸率19％，应变硬化指数n为0.163（单向轧制）和0.181（交叉压制），塑性应变比为1.29（单向轧制）和1.56（交叉压制）。中高温拉伸实验表明，随温度升高，强度迅速下降，塑性大大改善，300oC温度下拉伸时抗拉强度为50MPa，延伸率高达65％，可以在此温度下冲压成形。通过试验研究了AZ31B板材的模拟冲压成形性能。研究了AZ31B板材的杯突、扩孔、弯曲和拉深等模拟成形性能。极限胀形高度(杯突值)为4.90mm；扩孔率为5.71％；拉深系数为0.788，拉深比为1.268；最小相对弯曲半径rmin/t为5.0。利用电蚀坐标网格技术，研究和测试了AZ31B的室温成形极限图(FLD)。研究结果表明，热轧态板材能够较为准确的测试成形极限曲线，成形性能较好；室温下镁合金板材成形极限曲线水平较低，成形性能较差，难以完成复杂形状产品成形。镁合金板材在室温下变形，主要以基面滑移和孪生相结合的变形机制，变形阻力大，塑性差。在温度高于250oC时，滑移系增加，原子间阻力下降，塑性增加。250oC—350oC时发生局部动态再结晶，大晶粒转动，晶界滑移形成“项链组织”，温度超过350oC，孪生变形的比例下降，而晶内滑移为主要的变形机制。动态再结晶是其高温变形时的主要软化机制。根据镁合金板材冲压成形性能特点，设计较为合理的冲压模具，并采用科学的冲压工艺制度，首次在国内用冲压工艺制成了AZ31B镁合金生产手机外壳。冲压工艺的主要技术为：镁板加热温度250-300℃，模具采用电阻加热，凸凹模温度分别为150℃和250-300℃，采用200目石墨作为润滑剂。镁合金冲压手机外壳具有一系列性能优势，具有很大的市场优势和广阔应用前景。8.会议论文胡平.柳玉起各向异性板材冲压成形力学行为研究1997该文结合国家汽车工业及模具制造工业面临的亟待解决的力学问题，着重阐述了自行研制开发的大型覆盖件成形ＣＡＥ软件系统中关于各向异性板材冲击成形规律的研究方法和模拟结果。9.学位论文刘军华板材成形卸载回弹与切边回弹的数值模拟及其回弹控制2002该文结合国家重点自然科学基金(19832020)和吉林省自然科学基金项目(20000519),采用虚功率增率原理的弹塑性大变形隐式有限元法,重点研究了冲压成形后的卸载回弹和切边回弹过程,研究工作主要内容如下:1.建立高效、高精度的DKT四边形平板单元,详细推导了相关的单元矩阵.并将其与薄膜四边形等参单元的组合平板壳单元引入弹塑性有限变形的虚功率增率型原理,建立了拉弯组合的空间薄板弹塑性大位移、大应变板材冲压成形数值模拟隐式有限元列式.2.基于库仑摩擦定律,提出了一种可以被动地、同步地处理坯料与模具间的界面滑动摩擦力方法,同时它还可以保证约束后刚度矩阵的对称性.3.单元刚度矩阵采用稳定化矩阵数