各向异性屈服准则及其在汽车覆盖件中的应用

摘要

板料在轧制生产过程中需要经过多次辊轧和热处理，通常会呈现出明显的各向异性，即在不同方向上表现出不同的力学特性。在冲压成形过程中，各向异性对板料的塑性变形行为有显著的影响，板料易出现凸缘制耳和拉深直壁断裂等现象，从而降低板料的成形性能、尺寸精度及材料的利用率。如果能够正确地预示各向异性在板料成形中所产生的影响，并及时对冲压工艺进行适当的改进，则可以有效地利用板料的各向异性特性来提高成形质量。
　　 本课题来源于国家自然科学基金项目：面向自主设计的汽车覆盖件成形性快速仿真及工艺优化技术研究，项目批准号为50575080。在华中科技大学模具国家重点实验室开发的基于有限元算法的FASTAMP软件的基础上，研究了三种屈服准则——Hill48、三参数Barlat-Lian以及六参数Barlat91，比较了各自的特点及其适用范围。
　　 论文推导出BWC壳单元的应变位移关系，根据有限元变形虚功率增量型原理的弹塑性大变形有限元理论，建立了BWC壳单元在Hill48屈服准则下的三维有限元分析模型，并编写完整的有限元程序。通过模拟方盒件成形过程，比较了BT壳单元与BWC壳单元的优缺点和计算精度。为了使Barlat-Lian屈服准则能与BT或BWC壳单元结合模拟板料在成形过程中的各向异性行为，论文在三参数Barlat-Lian屈服准则的基础上提出一个改进的五参数Barlat-Lian屈服准则。本文还介绍了六参数Barlat91各向异性屈服准则，推导了与方程中参数之间的关系式。编写这两种屈服准则的相关程序，并集成到FASTAMP中进行数值模拟，分别研究了屈服准则指数、各向异性参数和落料角度对厚度分布的影响。模拟结果表明，屈服准则指数越高，单元厚度变化越大；厚向异性系数大，单元厚度变化越小；落料角度与各向异性参数中最大值的方向一致时，单元厚度变化较小。
　　 结合铝合金圆筒件试验，比较Hill48屈服准则、改进的五参数Barlat_Lian屈服准则以及六参数Barlat91屈服准则对制耳的影响。模拟结果显示Hill48与改进后的五参数Barlat_Lian的模拟结果接近，验证了改进后的准则的准确性；而六参数Barlat91模拟的结果与试验结果的接近表明六参数Barlat91屈服准则相对来说对铝合金板的成形有较好的预测能力。