張石磊，劉學(xué)之，劉純國(guó)，張學(xué)廣

（1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.吉林大學(xué) 輥鍛工藝研究所，吉林 長(zhǎng)春 130021）

基于數(shù)值模擬的鋁合金成形極限圖獲取及其應(yīng)用

張石磊1，劉學(xué)之1，劉純國(guó)2，張學(xué)廣2

（1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.吉林大學(xué) 輥鍛工藝研究所，吉林 長(zhǎng)春 130021）

本文以5083-O鋁合金為例，提出了一種基于數(shù)值模擬的鋁合金板材成形極限圖（FLD）的獲取方法。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的加載方式，可以獲取板材在不同變形路徑下失效時(shí)對(duì)應(yīng)的極限主應(yīng)變。將本文獲取的FLD應(yīng)用于高速動(dòng)車組司機(jī)室曲面覆蓋件的沖壓成形，預(yù)測(cè)了3組不同棱線半徑下試驗(yàn)件的成形效果。在1600t油壓機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)件成形后的失效方式及失效位置和預(yù)測(cè)結(jié)果相吻合。本文的研究可為板材成形極限的獲取和成形效果預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

沖壓成形；成形極限圖；數(shù)值模擬；斷裂；曲面覆蓋件

沖壓成形是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的金屬板料加工方法。起皺和斷裂是板材沖壓成形的主要缺陷，其中，斷裂嚴(yán)重影響成形件質(zhì)量。為了預(yù)測(cè)板材沖壓成形中試驗(yàn)件的失效，學(xué)者相繼提出了眾多理論，包括強(qiáng)度理論、減薄理論、應(yīng)變能理論、損傷理論、成形極限圖（FLD）等。1963年，Keerler首先提出成形極限圖的概念，并繪制了基于第一主應(yīng)變?chǔ)?和第二主應(yīng)變?chǔ)?的成形極限圖[1]。與強(qiáng)度理論、減薄理論、應(yīng)變能理論、損傷理論等相比，F(xiàn)LD反映了板材成形中的絕大部分應(yīng)變狀態(tài)，能定量描述板材成形性能和安全裕度，對(duì)于指導(dǎo)沖壓工藝、模具設(shè)計(jì)和選材等有重要作用。20世紀(jì)60年代以來(lái)，F(xiàn)LD被廣泛應(yīng)用到汽車行業(yè)中[2]?？巳R斯勒公司首次應(yīng)用FLD預(yù)測(cè)了覆蓋件沖壓成形過(guò)程中圓角邊緣部位的破裂。為推動(dòng)FLD在其他行業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，美國(guó)鋼鐵聯(lián)盟（Auto/Steel Partnership）、北美深拉延研究組織（NADDRG）和歐洲的阿塞洛米塔爾鋼鐵集團(tuán)（Arcelor Mittal）都專門成立了FLD研究小組，并依據(jù)試驗(yàn)研究提出便于工程應(yīng)用的FLD經(jīng)驗(yàn)公式。但是，目前通過(guò)試驗(yàn)方式獲取FLD仍存在一些問(wèn)題。一方面，F(xiàn)LD的獲取往往需要大量的試驗(yàn)，試樣的形狀和加載方式會(huì)影響FLD曲線的分布；另一方面，受制于目前的測(cè)量工具和手段，難以準(zhǔn)確獲取試樣失效位置的極限主應(yīng)變。因此，通過(guò)數(shù)值模擬方式獲取板材的FLD，成為一種簡(jiǎn)易可行的手段[3]。

本文針對(duì)于5083-O鋁合金板材，提出一種基于數(shù)值模擬的FLD獲取方法，在圓頂沖頭脹形過(guò)程中，通過(guò)改變?cè)嚇佑行С尚螀^(qū)域的面積，實(shí)現(xiàn)了板材在不同應(yīng)變路徑下的失效。以加載過(guò)程中沖頭壓力達(dá)到最大值作為失穩(wěn)的判據(jù)，獲取了試樣失效位置的極限主應(yīng)變。將獲取的FLD應(yīng)用于高速動(dòng)車組司機(jī)室曲面覆蓋件的沖壓成形中，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了成形件的失效方式和失效位置。本文的研究為板材成形極限的獲取和成形效果預(yù)測(cè)提供了理論依據(jù)。

1 FLD的獲取

1.15083 -O鋁合金

5083-O鋁合金具有優(yōu)異的機(jī)械加工性能和耐腐蝕性，因而被廣泛應(yīng)用于高速動(dòng)車組蒙皮的制造。在數(shù)值模擬中，5083-O鋁合金的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以表示為：

其中，屈服強(qiáng)度σ0為149MPa，彈性模量E為70.4GPa，泊松比v為0.31，強(qiáng)度系數(shù)k為373.7，硬化系數(shù)n為0.178，密度ρ為2.73g/cm3。

1.2 應(yīng)變路徑的實(shí)現(xiàn)

FLD曲線是由板材在不同應(yīng)變路徑下失效時(shí)對(duì)應(yīng)的一系列極限應(yīng)變點(diǎn)組成的。因此，不同應(yīng)變路徑的實(shí)現(xiàn)是獲取FLD的關(guān)鍵。實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)變路徑的方法包括：無(wú)摩擦復(fù)合實(shí)驗(yàn)、圓柱形凸模試驗(yàn)、圓頂沖頭脹形試驗(yàn)等。其中，Nakazim提出的圓頂沖頭脹形試驗(yàn)在實(shí)際中被廣泛應(yīng)用。這種方法是通過(guò)改變?cè)嚇有螤睿诎肭蛐文＞邲_壓過(guò)程中得到不同的加載狀態(tài)，從而得到不同的應(yīng)變路徑。這種方法在成形過(guò)程中不需再加墊片，而是加一定的潤(rùn)滑劑，直接成形即可。加載中試樣是懸空的，摩擦對(duì)試樣失效的影響較小。本文選用大型商業(yè)化有限元分析軟件ABAQUS/Explicit對(duì)脹形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，其有限元模型如圖1所示。有限元模擬中，為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，沖頭、壓邊圈和模具簡(jiǎn)化為剛體殼結(jié)構(gòu)。試樣厚度為1mm。在模具和試樣之間設(shè)置虛擬拉延筋，加載中壓邊力設(shè)置為15t。模擬中選用通用接觸類型，試樣與壓邊圈和模具之間的摩擦系數(shù)為0.15；考慮到試驗(yàn)中試樣和沖頭之間為油潤(rùn)滑狀態(tài)，試樣和沖頭之間的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.05。模擬中沖頭的加載速度為1mm/s。

圖1 圓頂沖頭脹形有限元模型

1.3 試樣形狀

數(shù)值模擬中試樣的形狀根據(jù)GB/T15825.8-1995設(shè)計(jì)。由于直邊試樣在加載過(guò)程中試樣邊緣存在較大的應(yīng)變梯度，為確保加載過(guò)程中失效存在試樣中心可測(cè)量部位，本文中試樣邊緣被設(shè)計(jì)成中間收縮的弧形。本文共設(shè)計(jì)了9組不同的試樣，通過(guò)改變?cè)嚇佑行С尚螀^(qū)域的面積，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)變路徑。試樣的形狀和尺寸如圖2和表1所示。

圖2 試樣的形狀

1.4 失穩(wěn)時(shí)刻判定

在金屬板材以拉為主的變形方式中，板料往往過(guò)度變薄、出現(xiàn)溝槽甚至拉斷，這種現(xiàn)象叫做塑性拉伸失穩(wěn)。拉伸失穩(wěn)是板料失效的最主要原因[4]。當(dāng)板材變形出現(xiàn)在材料性能薄弱的區(qū)域，材料頸縮會(huì)在板材較大區(qū)間內(nèi)擴(kuò)散，由于材料具有硬化性能，使得頸縮可以在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移，從而使材料發(fā)生壓縮性的流動(dòng)，當(dāng)外載荷產(chǎn)生的等效應(yīng)力大于硬化產(chǎn)生的等效應(yīng)力時(shí)，破裂就會(huì)產(chǎn)生。所以，模擬中以板材承受的外載荷達(dá)到最大作為板材失效的標(biāo)志[5]。研究中以沖頭壓力代表板材承受的外載荷，加載過(guò)程中沖頭壓力的變化如圖3所示。當(dāng)沖頭的壓力達(dá)到最大值時(shí)，認(rèn)為板材出現(xiàn)失穩(wěn)。

表1 試樣的幾何尺寸

圖3 板材失穩(wěn)判定

模擬結(jié)果中，以失穩(wěn)時(shí)刻試樣包含最大等效塑性應(yīng)變的單元作為失效單元，分別提取其第一主應(yīng)變?chǔ)?和第二主應(yīng)變?chǔ)?，并以此繪制板材的FLD。試樣1到試樣9對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)變點(diǎn)的分布代表了應(yīng)變路徑從單向拉伸到平面應(yīng)變?cè)俚诫p向拉伸的變化。在對(duì)成形后試驗(yàn)件進(jìn)行成形效果分析時(shí)，根據(jù)成形后試驗(yàn)件的主應(yīng)變?cè)贔LD圖中的分布，將成形后的試驗(yàn)件分為4個(gè)區(qū)域[6]：FLD曲線以上的區(qū)域?yàn)閿嗔褏^(qū)域；FLD曲線下移10%作為臨界線，F(xiàn)LD曲線和臨界線之間的區(qū)域?yàn)槠屏掩厔?shì)區(qū)域；臨界線和雙側(cè)45度線之間的區(qū)域?yàn)榘踩尚螀^(qū)域；雙側(cè)45度線以下的區(qū)域?yàn)槭軌簠^(qū)域。5083-O的FLD分布如圖4所示。

圖4 5083-O的FLD

2 FLD的應(yīng)用

曲面覆蓋件是高速動(dòng)車組司機(jī)室外板總成的主要部分。本文所要成形的曲面覆蓋件的目標(biāo)形狀如圖5所示。為了美觀并保證試驗(yàn)件強(qiáng)度，曲面覆蓋件包含凸起的棱線。在實(shí)際沖壓生產(chǎn)中，棱線位置易發(fā)生開(kāi)裂。為了獲取實(shí)際生產(chǎn)中所能成形試驗(yàn)件棱線的極限尺寸，研究中分別設(shè)置了三組不同的棱線半徑：15mm、9mm、6mm。并利用上文獲取的FLD分別預(yù)測(cè)其成形效果。

圖5 曲面覆蓋件的目標(biāo)形狀

本文利用ABAQUS/Explicit進(jìn)行覆蓋件對(duì)壓成形。有限元模擬中，板材下料尺寸為2800mm×1400mm。板材和模具之間的摩擦系數(shù)為0.05，模擬中壓邊力設(shè)置為400t，單個(gè)成形周期為10s。

將成形后的試驗(yàn)件導(dǎo)入后處理軟件Hyperview中進(jìn)行成形效果分析，其中，成形試驗(yàn)件上紅色部分對(duì)應(yīng)斷裂區(qū)域，黃色部分對(duì)應(yīng)斷裂趨勢(shì)區(qū)域，綠色部分對(duì)應(yīng)安全成形區(qū)域，藍(lán)色部分對(duì)應(yīng)受壓區(qū)域。三組不同棱線半徑下試驗(yàn)件的預(yù)測(cè)成形效果如圖6所示，可以看出，板材外側(cè)壓邊圈固定位置為受壓區(qū)域。當(dāng)棱線半徑為6mm時(shí)，一條棱線整體開(kāi)裂，曲面外圍工藝補(bǔ)充面連接位置有破裂趨勢(shì)；當(dāng)棱線半徑為9mm時(shí)，棱線與工藝補(bǔ)充面連接位置斷裂，單側(cè)工藝補(bǔ)充面連接位置有破裂趨勢(shì)；當(dāng)棱線半徑為15mm時(shí)，試驗(yàn)件成形后未出現(xiàn)斷裂缺陷?？芍囼?yàn)件成形后未出現(xiàn)缺陷時(shí)對(duì)應(yīng)的棱線半徑為15mm。

為了驗(yàn)證基于數(shù)值模擬預(yù)測(cè)得到的試驗(yàn)件成形效果，在1600t壓力機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)件對(duì)壓成形試驗(yàn)驗(yàn)證。模具由凸模、凹模、壓邊圈三大部件組成，試驗(yàn)中同時(shí)考慮上下模具導(dǎo)向，凸模壓邊圈導(dǎo)向，以及成形過(guò)程中定位塊位置等因素。在模具凹模采用鑲塊結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)不同的目標(biāo)棱線半徑。不同棱線半徑下成形后的試驗(yàn)件如圖7所示。圖中圓圈處為斷裂位置?？梢钥闯?，數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說(shuō)明通過(guò)數(shù)值模擬可以較好地預(yù)測(cè)實(shí)際試驗(yàn)件沖壓成形缺陷。

圖6 不同棱線半徑下的試驗(yàn)件預(yù)測(cè)成形效果

圖7 不同棱線半徑下的板材實(shí)際成形效果

3 結(jié)論

在數(shù)值模擬中，通過(guò)設(shè)置合理的加載方式，可獲取板材在不同變形路徑下的成形極限圖（FLD）。根據(jù)成形后主應(yīng)變?cè)贔LD圖上的分布，可快速預(yù)測(cè)成形后試驗(yàn)件的失效形式和失效部位。將獲取的FLD應(yīng)用于帶有棱線的高速動(dòng)車組司機(jī)室曲面覆蓋件的沖壓成形效果分析中，預(yù)測(cè)得到的試驗(yàn)件未出現(xiàn)缺陷時(shí)對(duì)應(yīng)的棱線半徑為15mm。試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測(cè)結(jié)果相吻合。本文的研究可以為鋁合金板材的成形極限獲取及成形效果預(yù)測(cè)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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Obtaining and application of aluminum alloy FLD based on numerical simulation

ZHANG Shilei1，LIU Xuezhi1，LIU Chunguo2，ZHANG Xueguang2
（1.CSR Qingdao SIFANG Co.,Ltd.,Qingdao 266111,Shandong China; 2.Roll Forging Research Institute,Jilin University,Changchun 130021,Jilin China）

The 5083-O aluminum alloy has been taken as an example,an obtaining method of forming limit diagram (FLD)has been put forward in the text based on numerical simulation.By designing reasonable loading method,the limit principal strains of sheet metal in various loading paths can be acquired at rupture.The obtained FLD has been applied in the stamp forming process of curved covering panels for high-speed train cab.Theforming effects of formed workpieces have been predicted with three types of ridge radius.The test verification has been carried out on 1600t oil pressure machine,and it is proved that the failure mode and the crack location are in consistent with predicted results.It provides theoretical basis to obtaining of forming limit and forming effects prediction for sheet metal.

Forming limit diagram;Fracture;Stamp forming;Curved covering panel;Numerical simulation

TG386

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.01.028

1672-0121（2016）01-0097-03

2015－07－15；

2015－08－24

張石磊（1984-），男，工程師，從事高速動(dòng)車組車體成形工藝技術(shù)研究。E-mail：zxg13@mails.jlu.edu.cn