高强度热轧钢板翻边特性数值仿真研究及实验验证

摘要

新一代汽车的发展趋势要求节能、降耗、环保和安全。高强度热轧钢板因具有良好的强度和韧性、较高的伸长率和加工硬化率，及重量轻等优点，而被大量应用于汽车底盘和下部组件制造。随着高强度热轧钢板的应用越来越广，对高强度热轧钢板冲压成形的各项性能需要更深入的研究。另外，汽车覆盖件中存在着大量的翻边特征，许多汽车覆盖件在拉延、修边等工序之后还要进行翻边操作。因此，研究高强度热轧钢板翻边成形模拟的关键技术，分析热轧钢板翻边成形工艺的性能，分析翻边成形工艺的破裂和起皱对模具参数和工艺参数的敏感性，积累相关模拟数据，对于高强度热轧钢板使用和推广具有重大的参考意义。本文着眼于通过模拟和优化设计出能够评价高强度热轧钢板翻边性能的模型，详细归纳了高强度热轧钢板翻边成形模拟的关键技术，提出衡量高强度热轧钢板翻边性能的指标，研究在不同模具参数、工艺参数、材料参数对翻边高度的影响。在此基础之上开发出评价模具，并进行了相关实验验证。通过大量的模拟，分析反馈及优化设计，得到了一付轮廓线为“W”形的模型。凹模轮廓线为两段圆心角为90°半径为30mm、一段圆心角为90°半径为45mm和2段长为25mm的直线相切组合而成；坯料的宽度为定值，即三段900圆弧及中间两段相切直线所组成的轮廓线宽度，坯料的轮廓形状为凹模轮廓形状横向平移而得；凸模的轮廓形状由凹模轮廓偏置而得；凸凹模及压边圈的宽度由中部轮廓线宽度加上两侧圆弧外部过渡相切直线的投影长度组成。通过对7种不同的流动应力模型和Barlat 1989、Barlat六参数屈服准则、Hill 1948这3种屈服准则做了适用性分析，详细归纳了高强度热轧钢板翻边成形模拟的关键技术，通过对翻边各区域历史减薄率的分析，研究了翻边过程中材料的流动情况，提出了临界翻边高度这一概念，并用临界翻边高度对其翻边性能进行评价。临界翻边高度指翻边后坯料边缘部分开始出现破裂或宏观起皱时对应的翻边高度。通过调整模具的尺寸及工艺参数，详细考察了多种材料的临界翻边高度对拉伸翻边圆弧半径、压缩翻边圆弧半径、凸凹模及压边圈倒角、凸凹模之间的间隙、压边力以及虚拟速度等因素的敏感性。最后，根据模拟得到的模型形状及工艺条件，开发出一付可以用来评价高强度热轧钢板的模具，并进行了实验验证。

目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 汽车板的应用和发展

1.1.1 汽车板的发展历史

1.1.2 汽车板的分类

1.1.3 汽车板的质量要求

1.1.4 汽车板的国内外使用情况及发展趋势

1.2 高强度热轧钢板的定义分类

1.2.1 高强钢的定义

1.2.2 高强钢的描述

1.2.3 热轧钢板的定义

1.2.4 热轧钢板的分类

1.2.5 热轧酸洗板

1.2.6 国内热轧酸洗板生产情况

1.2.7 酸洗板进口情况分析

1.2.8 目前酸洗板主要应用行业需求分析

1.3 翻边特性的分类及国内外研究现状

1.3.1 翻边定义及分类

1.3.2 翻边工艺国内外研究现状及趋势

1.4 本文研究内容

参考文献

2 塑性成形的基本理论及分析

2.1 大变形有限元法简介

2.1.1 大变形有限元法在金属成形领域中的发展简介

2.1.2 弹塑性有限元法的简介

2.1.3 大变形弹塑性有限元法的分类

2.2 大变形的基本理论

2.2.1 大变形弹塑性力学中的简化假设

2.2.2 大变形弹塑性有限元平衡方程

2.2.3 大变形弹塑性有限元本构方程

2.2.4 大变形弹塑性有限元列式

参考文献

3 翻边成形特性的数值仿真研究

3.1 翻边成形特性CAE 分析的模型

3.1.1 传统的拉伸翻边、压缩翻边和直线翻边

3.1.2 拉伸翻边、压缩翻边和直线翻边组合起来形成的组合模型1

3.1.3 拉伸翻边、直线翻边和压缩翻边组合起来形成的对称式组合模型2

3.2 CAE 分析的关键技术

3.2.1 材料模型

3.2.2 屈服准则

3.2.3 硬化模式

3.2.4 有限元数值计算方法

3.2.5 动态边界处理

3.2.6 网格划分

3.2.7 单元类型

3.2.8 虚拟冲压速度

3.2.9 精度和效率的平衡

3.2.10 本文中模拟的关键技术设置

3.3 数值模拟结果示意图及材料流动情况分析

3.4 翻边高度对模具参数及工艺参数的敏感性分析

3.4.1 拉伸翻边圆弧半径对临界翻边高度的影响

3.4.2 压缩翻边圆弧半径对临界翻边高度的影响

3.4.3 凸、凹模及压边圈倒角半径对临界翻边高度的影响

3.4.4 凸、凹模之间的间隙对临界翻边高度的影响

3.4.5 压边力对临界翻边高度的影响

3.4.6 虚拟速度对临界翻边高度的影响

参考文献

4 评价模具的开发及实验验证

4.1 实验所用板料及其材料力学性能

4.2 翻边性能的评价指标及下料尺寸

4.3 翻边实验模具

4.3.1 设计思路及原理

4.3.2 压力机各种参数及示意图

4.3.3 拉伸力校核

4.3.4 模具的精度保证

4.3.5 坯料的定位装置

4.3.6 间隙的调节装置

4.3.7 防侧向力装置

4.3.8 顶板的作用

4.3.9 模具总装图

4.4 翻边实验方案

4.5 翻边实验结果分析

4.5.1 QStE380TM 翻边实验结果分析

4.5.2 QStE420TM 翻边实验结果分析

4.5.3 SAPH440 翻边实验结果分析(调整凸凹模之间的间隙)

4.6 翻边实验及现场

参考文献

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

攻读学位期间完成的学术论文