田丽雯,门长峰1

(1.天津职业技术师范大学机械工程学院,天津 300222;2.天津高速切削与精密加工重点实验室,天津 300222)

基于有限元法的高强度钢板SPCC成形极限图研究*

田丽雯1,2,门长峰1

(1.天津职业技术师范大学机械工程学院,天津 300222;2.天津高速切削与精密加工重点实验室,天津 300222)

基于有限元模拟软件dynaform,结合最大载荷判断准则和应变路径判断准则,获取极限应变数据,从而准确地确定高强度钢板SPCC的成形极限图。利用有限元模拟方法较为方便的研究了不同摩擦条件以及不同应变速率条件下的成形极限曲线规律,为生产实践提供依据。

有限元模拟;成形极限图;摩擦条件;应变速率

0 引 言

航空航天,汽车,电子及家用电器等许多零件覆盖件都是板料冲压成形的。据相关统计,板料经冲压变形后,创造的价值为原材料的10倍,经板材成形后得到产品价值约占总值的1/3[1]。成形极限图是判断和衡量板料成形性能最为简单和直观的方法,反映了板料在塑性失稳前能取得的最大变形能力[2]。因此,研究影响成形极限图的因素具有重大意义。

FLD(成形极限图)的获取方法有理论预测,实验测定,数值模拟[3]3种方式。理论预测FLD主要是通过采用不同的拉伸失稳准则来判断颈缩与破裂。实验测定FLD可运用传统印制网格法和数字图像相关法。在生产实践中,用实验方法获得板料的成形极限曲线需要复杂的设备以及消耗大量的材料,操作人员对试验结果影响较大,且不能直接研究复杂工艺条件下成形性能的影响因素[4]。

随着有限元方法的迅速发展,模拟仿真在某种程度上替代了实验测定和理论预测,为获得成形极限曲线提供一种快速有效的方法。通过有限元分析方法,仅用简单的单向拉伸得到的材料参数,仿真后获得成形极限曲线,并广泛受到了关注与应用[5]。

按照国标推荐的尺寸设计了9组试样,逐一进行有限元仿真,利用最大载荷判断准则和改变应变路径法,获取极限应变,得到基于模拟仿真的成形极限曲线,并研究了不同摩擦条件、不同应变速率对高强度钢板成形性能的影响。

1 数值模拟获得板料成形极限图的方法

1.1 仿真试样的形状与尺寸

本次研究选用材料为高强度钢板SPCC,单向拉伸实验测得其基本成形性能参数如表1所列。

表1 材料的基本力学性能参数

采用改变试样宽度的方法,按照国标推荐的尺寸设计了9组试样,试样的直径为180 mm,宽度范围为20 mm递增到180 mm,间隔为20 mm。试样的具体尺寸如图1所示。宽度不同,试样所受到的应力应变状态也不同。在仿真过程中所受的应力状态也从单向拉应力逐步过渡到双向拉应力,从而得到不同应变路径下的极限应变,获得完整的成形极限图。

图1 FLD仿真试样的形状与尺寸

1.2 有限元模型的建立

根据图1中FLD试样的几何尺寸,进行凸凹模,压边圈和板料建模,模型应与试验模具形状、尺寸完全相同;将导出的“igs”格式文件导入到有限元分析软件dynaform中,划分网格,结果如图2所示。本文进行有限元数值模拟时,取凸模行程为50 mm(凸模行程应远大于试验值),压边圈釆用虚拟速度2 500 mm/s,凸模采用虚拟速度3 500 mm/s。压边力釆用实际试验值2 000 kN(保证在成形过程中凸缘部分材料不发生流动)。

图2 FLD有限元几何模型

1.3 极限应变判断准则

在Dynaform后处理器中可以看到板料在冲压过程成形极限图和厚度变化图,以及每一步每个点的最大最小应变值,但是通过这些模拟所得数据,我们无法判断板料变形过程中何时出现缩颈或断裂。

最大载荷判断法:通过凸模载荷和行程的关系曲线。如图3所示,凸模在冲压过程中所受载荷随时间先是逐渐上升,到达顶峰后,忽然下降,此时板料发生了缩颈紧接着断裂。找到凸模压力达到峰值时的时间,找到此时间对应的步数,读出最大主应变单元的最大和最小主应变值,进而得到这块板料的极限应变。这一方法仅适用于宽度较窄的试样,利用此最大载荷判断准则,获取1～6个尺寸板料的极限应变,从而获取FLD左边的曲线。

对于较宽的试件(6,7,8),采用应变路径判断方法。陈光南等人认为载荷产生集中性失稳,是由平面应变状态的出现引起[6]。在数值模拟结果中可看到出现最大应变单元的应变路径往往都会经历线性稳定增加到向平面应变状态变化的过程,此过程会产生一个颈缩点,应变忽然转向平面应变状态。如图4所示,最大主应变忽然急速增加,最小主应变却缓慢增加,在转折点处实际上就出现了缩颈,这一方法仅适用于宽度较宽的试样。

图3 凸模载荷和凸模行程关系曲线

图4 第七根试样颈缩点判断过程

1.4 仿真结果

仿真获得的FLD如图5。FLD左侧部分是拉压区,符合一次函数,右侧是拉拉区,符合三次曲线。

图5 仿真得到的FLD图

2 影响成形极限图的因素

2.1 摩擦条件对板料成形的影响

摩擦条件是影响板料成形的一个关键性因素,它增大了板材变形时所需的载荷;阻碍了金属流动,引起了不均匀变形,导致了板料局部破裂[7]。然而某些情形下,摩擦条件也会产生一些有利作用,例如在拉深成形中,板料与凸模的摩擦值比凸模与凹模的摩擦值较高点,是便于成形的。因此,研究摩擦条件的影响规律对板料成形质量是非常重要。

基于dynaform有限元软件,设定凸模摩擦系数f分别为0.05、0.15、0.3。f=0.05表示很好的润滑状态,f=0.15表示冲压成形过程中一般的润滑状态,而f=0.3则表示没有加任何润滑剂时的状态。凹模和压边圈的摩擦值要比凸模的摩擦值大0.1,为0.15、0.25、0.4,其它参数值保持不变。

从图6模拟结果中看出,不同摩擦条件对FLD曲线的影响不同,FLD曲线的高度会随摩擦系数f值的增大而明显降低。摩擦系数对FLD曲线拉拉区的影响较大。当f=0.3时,FLD曲线的高度较低;而当f=0.05时,FLD曲线的高度较高,且表现出了较好的成形性。

图6 不同摩擦条件对FLD曲线的影响

2.2 应变速率对板料成形的影响

金属材料塑性变形过程中,需要一些反应时间,应变速率越低对金属的塑性变形有利,应变速率较高,有助于晶粒细化的产生[8]。因此,研究应变速率的影响,对板料FLD曲线同样重要,如图7所示。

图7 100℃和200℃应变速率对FLD曲线的影响

从图7模拟结果中看出,不同应变速率对FLD曲线的影响不同。FLD曲线的高度随应变速率值的增大而显著降低。应变速率对高强度钢板SPCC成形性的影响与成形温度有关,100℃下应变速率的影响要明显小于200℃。这与文献描述一致,说明采用数值模拟的方法能更好得分析板材成形过程中的影响因素。

3 结 论

(1)数值模拟获取成形极限曲线时应采用两种判断准则:左侧拉压区采用最大载荷判断准则,右侧拉拉区采用应变路径判断准则。综合两个准则,能较准确地确定高强度钢板SPCC模拟仿真试验的极限应变数据。

(2)摩擦条件不同对板料成形性的影响不同。摩擦值越高,成形极限曲线高度越低,并且摩擦值对FLD曲线右侧拉拉区的影响更大。

(3)应变速率不同对板料成形性的影响不同。应变速率与成形温度有关,100℃下应变速率对FLD曲线的影响要明显小于200℃。

[1]李 毅.AZ31镁合金板材热态下成形极限图的试验硏究与数值模拟[D].太原:太原理工大学,2013.

[2]易国锋,柳玉起,杜 亭.板料FLD试验胀形冲头形状影响研究[J].华中科技大学,2013,41(6):16-19.

[3]Rasoul S K,Hassan M N,Cholambosein L.Forming limit diagram prediction of tailor-welded blank using experimental and numerical methods[J].Journal of Materials Engineering and Performance,2012,21(10):2053-2061.

[4]张小龙.AZ31镁合金板材热态下成形极限图的理论预测与数值模拟[D].太原:太原理工大学,2013.

[5]刘振勇,李亚光,李大永.5754-H111铝合金板材成形极限实验及数值模拟[J].锻压技术,2014,39(1):35-40.

[6]顾 然.板料成形极限测量与分析方法研究[D].南京:南京航空航天大学,2010.

[7]翟妮之.数值模拟在板料成形极限分析中的应用[D].西安:西北工业大学,2007.

[8]曹晓卿,刘 毅,王敬伟,等.AZ31镁合金薄板在热态下的成形极限图及其应用[J].稀有金属材料与工程,2013,42(3):550-555.

Research on Form ing Lim it Diagram of High Strength Steel Sheet(SPCC) Based on the Finite Element M ethod

TIAN Li-wen1,2,MEN Chang-feng1
(1.College ofMechanical Engineering,Tianjin University of Technology and Education,Tianjin 300222,China; 2.Tianjin Key Laboratory ofHigh Speed Cutting&Precision Machining,Tianjin 300222,China)

In this article,based on the finite element simulation software dynaform,and combining with the maximum load judgment criterion and the strain path judgment criterion,the ultimate strain data is obtained so as to accurately determine the forming limit diagram of high strength steel sheet(SPCC).The finite element simulation method ismore convenient to study the forming limit curve pattern under different friction conditions and different strain rate,thus to provide the basis for production practice.

FEM simulation;forming limit diagram;friction condition;strain rate

TG386

A

1007-4414(2015)06-0056-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.020

2015-10-12

田丽雯(1989-),女,山西晋中人,硕士研究生,研究方向:模具数字化制造。