基于双面硬化模型的高强度钢大应变回弹研究

摘要

随着环保要求提高、碰撞法规要求提升，汽车轻量化程度不断提高，由于碳纤维和复合高分子材料的高应用成本及先进技术的限制，使高强度钢薄板特别是先进高强度钢的研发与应用成为汽车轻量化材料解决方案的重要组成部分，然而其屈服强度较高，使得高强度钢冲压回弹问题日趋凸显。　　冷冲压回弹是大变形后小范围内反向屈服，会影响零件后续装配与成品外观质量，而这在实际生产中很难控制，因此建立一种高精度的材料模型来准确预测零件回弹并建立一系列回弹实验全面分析回弹影响规律是控制回弹的重要手段。由于高强度钢循环加载产生瞬时包申格效应、冷作硬化、永久软化及弹塑区间的圆滑过渡等循环力学特性，采用普通材料模型使精准的回弹预测变得尤为困难，同时现有的高强度钢弯曲回弹影响因素分析研究还不够完善。　　针对上述问题，论文旨在建立精准高效的高强度钢薄板平面循环加载平台，构建多种材料硬化模型并应用于多种U形弯曲成形的回弹模拟及汽车冲压件门槛的回弹仿真，并建立多种U形弯曲回弹实验，探究材料模型对回弹预测精度的影响及分析回弹影响因素对回弹结果的作用规律。论文主要内容如下：　　(1)研究高精度的双面硬化本构理论　　为准确描述高强度钢冲压变形机理，并提高成形仿真计算精度、减小回弹预测偏差，对高精度的双面硬化材料本构理论进行了深入的分析研究，此本构理论能充分考虑高强度钢循环加载力学特性，可有效模拟复杂应变路径下的大塑性变形及小应变内的反向屈服。　　(2)构建薄板拉压循环加载系统　　为获取精准有效的双面硬化材料本构，提出了一种基于光学应变的低摩擦十字梳齿式抗轴向强挤压失稳的控制方法，开发了一种可满足980MPa级别超高强度钢薄板循环拉伸压缩的防翘曲夹持装置，建立了一套薄板拉压循环加载系统，实现了最大对称应变11%、最大压应变22%的循环实验，并获得了不同预应变下DP590、DP980及QP980高强度钢的有效循环应力应变曲线。　　(3)建立多种U形弯曲实验与回弹数值模拟　　设计多种规格的低合金钢、DP钢与QP钢在不同U形弯曲方式和工艺参数下的弯曲回弹实验，重点探究了料厚、材料特性、成形间隙、压边力、弯曲角度及U形弯曲方式对U形件回弹的影响。并针对DP590、DP980及QP980高强度钢，讨论了多种硬化模型对自由弯曲、带压边力弯曲及预压料弯曲等U形弯曲回弹数值仿真精度的影响，回弹分析数据表明：任一U形弯曲工艺下，屈服准则为Hill48的双面硬化模型对各高强度钢均具有更高的回弹预测精度，回弹角提升效果为5%-25%。　　(4)建立汽车冲压门槛内板件的回弹数值模拟　　建立了门槛内板基于不同材料模型的回弹有限元仿真，验证了双面硬化材料模型对汽车复杂零件的回弹预测适用性。回弹数据表明：建立的高精度双面硬化材料模型(Hill48)不但能有效改善门槛内板回弹预测趋势，而且还大大提高了回弹预测精准度，该模型回弹预测提升效果能达到45%以上。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.1.1 高强度钢在汽车行业中的应用

1.1.2 高强度钢回弹预测的重要意义

1.1.3 高强度钢回弹影响因素研究的必要性

1.2 高强度钢回弹研究现状

1.2.1 回弹实验研究

1.2.2 有限元数值模拟

1.2.3 材料本构模型研究

1.3 拉压循环加载实验研究现状

1.4主要研究内容

第2章 双面硬化材料模型

2.1 材料本构理论

2.1.1 材料屈服准则

2.1.2 塑性流动法则

2.1.3 材料硬化模型

2.2 双面硬化模型

2.2.1 模型提出背景

2.2.2 模型研究应用

2.2.3 模型本构原理

2.2.4 模型参数拟合

2.2.5 模型参数应用

2.3 本章小结

第3章 薄板拉压循环加载实验

3.1 夹持装置的设计

3.2 拉压循环加载实验

3.2.1 实验仪器与设备

3.2.2 实验方案及过程

3.3 拉压循环加载实验结果

3.4 材料本构的建立

3.5 本章小结

第4章 U形件弯曲实验及有限元回弹分析

4.1 基于多种U形弯曲的冲压实验

4.1.1 回弹实验模具

4.1.2 回弹实验方案

4.1.3 回弹评价指标

4.1.4 回弹数据测量

4.2 基于多种材料本构的回弹仿真

4.2.1 各材料本构参数

4.2.2 有限元建模

4.3 回弹仿真与实验对比

4.3.1 各高强度钢在自由弯曲下的回弹对比

4.3.2 各高强度钢在带压边力弯曲下的回弹对比

4.3.3 各高强度钢在预压料弯曲下的回弹对比

4.4 本章小结

第5章 U形件回弹实验结果对比

5.1 各高强度钢在自由弯曲下的回弹研究

5.1.1 料厚对各高强度钢的回弹影响

5.1.2 成形间隙对各高强度钢的回弹影响

5.2 各高强度钢在带压边力弯曲下的回弹研究5.2.1 料厚对各高强度钢的回弹影响

5.2.2 压边力对各高强度钢的回弹影响

5.3 各高强度钢在预压料弯曲下的回弹研究

5.3.1 料厚对各高强度钢的回弹影响

5.3.2 弯曲角度对各高强度钢的回弹影响

5.4 各弯曲方式下的回弹研究

5.5 本章小结

第6章 门槛内板的回弹有限元分析

6.1 基于不同材料本构的回弹仿真

6.1.1 有限元建模

6.1.2 回弹仿真结果

6.2 门槛内板冲压实验

6.2.1 冲压实验

6.2.2 回弹测量

6.3 回弹仿真与实验对比

6.4 本章小节

结论与展望

参 考 文 献

附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录

致谢