应变路径

冶金工程术语

应变路径是指板料冲压主要是在平面应力状态下变形的,破裂是其主要破坏形式之一,而破裂的本质是拉伸失稳,所以对板料成形极限的分析主要集中在平面应力状态下的板料拉伸失稳的研究。

简介

板料冲压主要是在平面应力状态下变形的,破裂是其主要破坏形式之一,而破裂的本质是拉伸失稳,所以对板料成形极限的分析主要集中在平面应力状态下的板料拉伸失稳的研究。

19 世纪60年代,基于拉伸失稳理论提出了成形极限图( FLD)的概念。 FLD 的出现使得人们对于原本由诸如延伸率、断面收缩率等简单指标所表征的材料的成形性有了更深层次的认识,人们可以根据FLD评估不同板料在不同应变状态下相对成形性能的优劣。

近些年来,随着计算机技术与有限元分析方法实用化的飞速发展使得板料成形大型有限元软件更加成熟,使之成为分析通常难以求解的几何非线性、接触非线性和边界条件非线性等板料成形问题不可替代的工具,为实现复杂应变路径下的成形极限研究提供了技术支持。作者在对以往各种成形极限理论和试验研究进行分析的基础上,通过数值模拟与实冲试验相结合的方法,利用某汽车左后悬挂架建立了有限元模型并进行了数值模拟,实现了板料成形的复杂应变路径,并对左后悬挂架危险点的应变路径进行了分析,最终确定了该零件的成形优化方案。

成形极限概述

1952年, Swift提出的分散性失稳理论和Hill提出的集中性失稳理论,为塑性变形拉伸失稳理论奠定了基础。此后,相继有学者提出的用于解释板料发生集中性失稳的理论,有基于损伤角度提出的M - K沟槽理论,有从连续体失稳角度出发的S -R屈服面尖点理论,以及后滕理论等等。

早在60 年代, Keeler和Goodwin就提出了成形极限图的概念,这为评价拉伸失稳理论和研究板料成形极限提供了一个有力的判据。

板料本身的成形性能只和n值和厚度t相关,所有板料的FLD曲线的形状是一样的,所不同的只是它在坐标系中的位置。

由于应用FLD 来判断破裂是否发生比较简单、直观,从而成为解决板料成形问题的一个重要工具。此后,许多学者从理论和试验两个方面对FLD展开了深入的研究。

通常的FLD都是由线性或近似线性应变路径得到的,在实际生产中,由极限应变构成的FLD受应变路径的影响很大。 Kikuma 、Grumboch等的研究清楚地说明了应变路径对FLD的影响。因而由线性应变路径或近似线性应变路径建立的FLD不能很好地用于预测板料成形破裂,而必须采用与实际成形相符的复杂应变路径所建立的FLD。因此,研究复杂应变路径下的板料成形极限成为板料成形领域的热点问题之一。

通过试验确定复杂应变路径下的FLD 比较困难,目前只能通过将复杂应变路径简化成两段线性应变路径进行试验研究。第一步,板料通过单向拉伸、双向等拉或平面应变简单地预变形到各种不同的变形程度;第二步,经过预变形的板料再在单向拉伸到双向等拉之间的各种应力比下进一步变形。

Melander等人研究了两阶段线性应变路径对双相钢成形极限的影响,得出:双向等拉预应变成形后的FLD明显低于直线应变路径下的FLD,也就是说,当用先拉延后拉胀成形代替简单的直线应变路径时,成形极限可以增高。万敏等人认为研究复杂应变路径下的成形极限可以通过十字形试件双向拉伸试验来实现,因为十字形试件可方便地通过改变两轴的载荷比,使中心区得到不同的应力状态,但关键还需要解决中心区应力与应变的测量问题。由于在试验上难以实现与实际板料成形相符的复杂加载路径,因而通过试验方法得出的结论仅限于拉伸- 胀形路线的成形极限高于简单加载,胀形- 拉伸路线则低于简单加载。

近些年来,部分研究人员提出了初步认为是与加载路径无关的新的成形极限判据:成形极限应力图FLSD ( Forming Limit Stress Diagram)。他们在研究加载路径对成形极限应变图FLD影响的同时,发现将不同加载路径情况下得到的FLD曲线按照塑性应力应变关系沿变形历史点对应地转换成用应力描述的成形极限图时,所得到的曲线几乎是重合的。这说明FLSD 与加载路径关系不大。反过来,人们也可以用一条成形极限应力图去求得在不同加载路径情况下的不同形状的应变成形极限图。但是应力成形极限与加载路径无关还得不到充分的理论和试验数据的支持,并且由于屈服准则、本构关系以及失稳理论的不统一,所得到的某个FLD必将对应多个FLSD。

从70年代以来,板料成形过程有限元数值模拟经过短短30多年的发展,已经能够成功地模拟汽车覆盖件这样的三维板料成形过程。随着有限元数值模拟精度的改善和计算机处理能力的提高,使得运用有限元数值模拟方法研究复杂应变路径下板料成形极限成为可能。

复杂应变路径下的数值模拟

1.左后悬挂架拉延成形特点

以某轿车左后悬挂架为例,此零件是一个比较复杂的中小型车身内覆盖件,拉延深度较深,并且由于结构上的要求,有必要采用二次拉延才能成形。

由于左后悬挂架A - A截面形状成V字形,且有一部分侧壁,因此第一步工序设计为拉延成形。为了使板料在拉延过程中各处拉延深度趋于均匀,压料面被设计成曲面形式。在成形时,需要同时进行毛坯中间部分的胀形和四周法兰部分坯料的流入,才能保证零件顺利成形。

由于沿着毛坯周边产生的拉延变形大小不同,直边部分的拉延变形小,所需的径向拉应力也小,曲边部分的拉延变形大,所需的径向拉应力也大,所以沿毛坯周边侧壁内的拉应力差别相当大。在拉延变形小的部分,径向拉应力的数值可能不足以引起板料产生足够的胀形变形;在曲率变化较大的截面处,由于存在较大的径向压应力,就可能引起起皱;而在拉延深度较深的成形区域,由于双向拉应力较大,则可能超出材料成形极限引起破裂。所以保证得到比较均匀的或符合需要的径向拉应力是左后悬挂架模拟成形的关键。

2.模拟方案的拟定

由于左后悬挂架主要结构面上有急剧的凸凹折曲和较深的鼓包等局部形状,在凸凹模型面设计时,通过调整工艺圆角、首次拉延成形中部分区域的拉延深度来改变材料流动,以达到改变应变路径的目的,从而确定了模拟方案。

左后悬挂架使用宝钢材料ST14O5 低碳钢,厚度为118 mm。

3.不同应变路径对冲压成形结果的影响

左后悬挂架的成形分析主要是考虑第一步浅拉延的变形形式和变形程度(拉延和胀形成分的多少)的变化对第二步拉延成形的影响。左后悬挂架各模拟方案在危险点变形路径变化比较。

可以看出,各方案的第一步、第二步在危险点的变形路径是变化的。通过第一步拉延成形型面的变化,改变了板料部分点的成形应变轨迹。

综合以上分析可知,对于左后悬挂架,不同的变形条件,使得板料的各点变形路径发生变化,尽管总的变形量是一定的,但是通过变形路径的变化,利用不同路径下的成形极限的不同,可以充分发挥材料的成形性能,实现较好的成形质量。结合危险点成形极限图及安全裕度变化趋势图,最终确定方案2为左后悬挂架的优化成形方案。

总结

(1)运用有限元数值模拟技术可以实现试验方法无法实现的复杂应变路径。

(2)应变路径的不同对冲压成形的结果有很大影响,通过不同方案模拟结果的应变路径和安全裕度对比分析,最终确定方案2为左后悬挂架的优化成形方案,该方案充分发挥出了左后悬挂架的成形性能,实现较好的成形质量。

利用有限元数值模拟技术开展复杂应变路径下的板料成形研究,不仅可以很好地预测复杂形状零件成形、多工步成形,而且能准确地确定屈服准则、塑性本构关系、拉伸失稳条件。

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