不同预变形不同应变速率铝合金板材变形行为及应用研究

摘要

铝合金是汽车轻量化应用的重要材料之一，室温下铝合金塑性差和回弹大，然而高应变速率下可以明显提高铝合金板材的塑性变形能力和减少回弹，并且铝合金车身在复杂应用环境中可能受到各种不同载荷和不同变形条件的作用，因此针对不同应变速率不同预变形下汽车用铝合金板材进行了力学性能实验、塑性变形本构关系、断裂机理和微观组织变化进行研究分析，铝合金板材准静态和高应变速率下的成形性能实验和数值模拟进行研究，实际汽车前机盖外板成形工艺模拟和冲压成形生产进行了系统的研究。
　　（1）通过针对铝合金板材准静态拉伸试验和高应变速率动态拉伸试验获得不同预变形不同应变速率下的应力应变关系曲线，从而研究不同预变形和不同应变速率下的铝合金板材力学行为。研究表明：相比准静态下，高应变速率下铝合金板材的抗拉强度都有明显的增加，随着铝合金板材与变形量增加，抗拉强度的增幅越小，断裂应变增加的临界应变速率逐渐减小；高应变速率下，随着应变速率增加铝合金板材的断裂应变增加，高应变速率下产生的绝热逐渐增大；基于材料的拉伸试验数据建立了6014铝合金板材塑性动力学应力-应变-应变速率本构关系，通过拟合曲线与实验结果曲线对比分析较吻合。
　　（2）基于铝合金板材不同状态下拉伸试验，针对断裂后的试样利用宏观和微观分析方法进行断口形貌和微观组织进行了研究分析，从而得到不同预变形不同高应变速率下6014铝合金板材的断裂和变形机理。研究表明：准静态下，未预变形6014铝合金板材断裂形式是韧窝比较浅的韧性断裂，不同预变形材料的断裂形式是准解理断裂；高应变速率下随着应变速率增加，铝合金板材断口表面韧窝逐渐变深变多，是典型韧性断裂形式；铝合金板材原始组织晶粒是等轴晶，变形铝合金板材晶粒沿拉伸方向明显被拉长，高应变速率下拉伸方向的晶粒尺寸明显大于准静态板材晶粒尺寸。
　　（3）通过汽车用铝合金板材锥杯实验、拉深实验与模拟研究，得到5182、6016铝合金板材的锥杯值和极限拉深值，针对不同硬化模型对铝合金板材拉深计算模拟结果的影响进行研究分析得到：1.5mm厚的5182铝合金板材拉深性能较6016铝合金板材好，0.85mm厚的5182铝合金板材拉深胀形复合性能较6016铝合金板材好。hollomom方程计算板料深度和厚度分布结果与实验结果较为接近，Power方程计算的成形载荷与实验值较为接近。
　　（4）基于6014铝合金板材高应变速率塑性动力学应力-应变-应变速率本构关系和LS-DYNA3D软件进行了铝合金板材高应变速率下的电磁成形性能数值模拟，获得电磁成形过程中材料变形规律和变形结果。研究得到：平板线圈板料电磁胀形过程是首先线圈1/2半径附近的板料受到电磁力的作用并且快速增加到最大，使板料获得很大的动能，然后随着电磁力逐渐减小，板料的变形速度增加到最大值，由于惯性板料继续变形，从而带动周围区域的板料开始变形。
　　（5）通过不同电压的铝合金板材电磁胀形结果与模拟结果分析，得到不同电压对铝合金板材电磁变形结果的影响规律，随着电压增加，铝合金板材胀形高度和最大等效应变逐渐增加，同一位置的板料位移、应变、速度和应变速率逐渐增加，对比分析得到电磁胀形模拟结果与实验结果有较小的误差，电压为4kV和3kV时板料变形最大的区域厚度实验结果分别为0.71mm和0.775mm，模拟结果分别为0.696mm和0.789mm。
　　（6）通过汽车铝合金前机盖外板的凹模型腔表面形状和成形工艺参数的设计及优化，得到了型面几何形状和工艺参数对铝合金外板的成形结果影响，模面结构的拔模斜度、工艺参数中摩擦和压边力对铝合金覆盖件产品的成形质量影响较大，通过工艺参数和凹模面结构的优化获得检验合格的铝合金前机盖外板产品。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 汽车铝合金

1.3 铝合金力学性能的研究进展

1.4 铝合金本构模型的研究现状

1.5 板材电磁成形工艺及模拟研究现状

1.6 课题来源、目的及意义

1.7 课题主要研究内容

第二章 实验材料和方法

2.1 引言

2.2 实验材料与试样

2.3 准静态拉伸实验

2.4 霍普金森杆实验装置及原理

2.5 Hopkinson 拉杆实验数据处理

2.6 铝合金动态拉伸实验

2.7 微观分析

2.8 本章小节

第三章 不同应变速率下铝合金板材力学行为和变形本构方程

3.1 引言

3.2 应变速率对材料的性能的影响

3.3 预变形下材料不同应变速率的力学性能影响

3.4 预变形对材料的性能的影响

3.5 绝热温升的确定

3.6 本构模型的建立及验证

3.7 讨论

3.8 本章小结

第四章 预变形铝合金高应变速率下断裂行为和微观组织

4.1 引言

4.2 实验过程及方法

4.3 实验结果与分析

4.4 微观变形机制的探讨与分析

4.5 本章小结

第五章 铝合金板材冲压成形性能研究

5.1 引言

5.2 材料拉深成形性能实验

5.3 锥杯实验

5.4 不同硬化模型的影响

5.5 小结

第六章 铝合金板材电磁成形模拟与实验

6.1 引言

6.2 电磁成形有限元分析理论

6.3 铝合金板料的电磁成形数值分析模型

6.4 结果分析

6.5 不同电压对电磁成形结果的影响

6.6 电磁成形实验

6.7 实验与模拟结果对比分析

6.8 小结

第七章 铝合金板材成形技术的工程应用

7.1 引言

7.2 汽车前机盖的冲压成形分析

7.3 汽车前机盖成形工艺分析及模面优化

7.4 汽车前机盖成形工艺工艺参数优化

7.5 汽车前机盖的成形试验

7.6 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 全文总结

8.2 研究展望

参考文献

致谢

附录 攻读博士学位期间发表的论文和参加科研情况

作者简介