各向异性屈服准则及其在汽车覆盖件中的应用

华中科技大学硕士学位论文各向异性屈服准则及其在汽车覆盖件中的应用姓名：徐丹申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：柳玉起20070101华中科技大学硕士学位论文I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r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。关键词：各向异性，冲压成形，壳单元，屈服准则，制耳，数值模拟华中科技大学硕士学位论文IIAbstractThepropertiesofthematerialscanbedescribedbytheanisotropybecausemostmaterialsarerolledorheattreatment.Inthestampingprocesses,anisotropyaffectsplasticdeformationofthesheetmetal,whichearmouldandfractureofstraightwallsarerevealedon,sothematerialproperty、dimensionaccuracyandutilizationratioaredecreased.Ifthoseeffectscanbeindicated,thequalityofthesheetmetalformingwillbeimproved.ThisresearchissupportedbyNSFandnamedas:“TheIndependentResearchofHigh-speedSimulationandOptimalProcessDesignaimingattheFormabilityofAutomobilePanel”(NO.50575080).BasedonthesimulationsoftwareofFASTAMPwithupdatedfiniteelementinverseapproachanddynamicexplicitalgorithm,whichisdevelopedbyStateKeyLaboratoryofPlasticFormingSimulationandDie&MouldTechnologyofHUST,threeyieldcriterialikeHill48,three-parameterBarlat-LianandBarlat91havebeenstudied.Inthepresentpaper,thestrain-displacementrelationshipofBTelementandBWCelementarederived.Athree-dimensionfinite-elementanalysismodelofBWCelementwithHill48anisotropiccriterionisdevelopedbasedontheelastic-plasticlargedeformationfiniteelementformulationofvirtualpowerprinciple,andatotalfiniteelementprogramiswritten.Throughsimulatingtheformingofthebox-shapedworkpiece,thesuperiorityandinferiorityofBTelementandBWCelementiscomparedandanalyzed.Inthispaper,anupdatedfive-parameterBarlat-Lianyieldcriterionbasedonthethree-parameterBarlat-Lianplanaranisotropicyieldcriterionwaspresented.ThenewyieldcriterioninwhichtwotransverseshearstressesareaddedcanbecombinedwithBTorBWCshellelementstosimulatetheanisotropiccharactersofthesheetinthestamping.WealsointroducetheBarlat91yieldcriterion,andthendeducetherelationshipbetweenrandthecoefficientsinthefunction.TheprogramabouttheseyieldcriteriaarewrittenwhichareintegratedintothesoftwareFASTAMP.Inthenumericalsimulationpart,westudytheinfluencesonthedistributionofthicknessofelementsbythedegreeofthecriterion、anisotropyparameterrandangleofdrop.Fromtheresultsofsimulation,thehigherthedegreeofthecriterionis,theelementsareeasiertothinner,theanisotropyparameterrandtheangleofdropalsohavegreatinfluenceonthethickness.Throughexperimentofthecylindricalpart,wesimplycomparethedifferentinfluencesontheearmodelanddistributionofthicknessofthethreeyieldcriterions.华中科技大学硕士学位论文IIIFromthecomparison,theresultsshowedthattheHill48andtheupdatedfive-parameterBarlat-Lianyieldcriterionhadthesimilarcurves,andtheBarlat91hadthesimilarcurveswithexperiment.Sothevalidityofthenewyieldcriterionisprovedout.Keywords:anisotropy，stampingforming，shellelement，yieldcriterion，earmould，numericalsimulation独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□√。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1课题的来源、目的及意义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。课题的目的是研究各向异性屈服准则及其在汽车覆盖件成型模拟中的应用，完善自主版权的板料成形模拟软件FASTAMP。汽车工业，无论是在工业发达国家或是新兴工业化国家，都是从一个侧面支撑国家的经济繁荣，中国的汽车工业也是国民经济的支柱产业。进入21世纪，我国的汽车工业正在蓬勃发展，并逐渐与国际接轨。而作为汽车制造业中最重要的加工方法——冲压技术业在不断的进步，而且永无止境。汽车覆盖件与一般薄板拉伸件相比，具有材料相对厚度小、结构尺寸大、形状复杂、尺寸精度和表面质量要求较高的特点[1]。汽车覆盖件的成形过程涉及高度几何非线性，材料非线性和状态非线性等力学问题，依靠理论解析求解是十分困难的[2,5]。在传统的冲压生产过程中，无论是覆盖件模具的设计、制造，还是坯料形状和尺寸的确定，冲压工序、工艺参数的规划，都要设计制造原型，经过多次试生产和多次调试修正才能确定，这是一个试错逼近的过程，造成人力、物力和财力的大量消耗，生产成本高，周期长，质量不易控制[6]。随着计算机软硬件技术的迅猛发展以及计算机技术图形学与力学，工艺学的交叉和结合，基于数值模拟的计算机辅助工程技术在覆盖件成形领域得到了广泛的应用。国际各大汽车公司都把板料成形过程有限元数值模拟作为新车型覆盖件开发的一个必要的分析工具[7]。板料成形数值模拟正好为板料成形工艺提供了一种科学的分析方法，它能够在零件设计的初始阶段就对其可成形性进行有效的把握，并能够在模具制造之前就能对成形工艺参数进行合理的优化以确保产品的质量，减少试模修模工作，降低生产成本，提高企业的模具开发效率和产品的市场竞争力。因此，研究板料成形问题是非常必要的，而开华中科技大学硕士学位论文2发一套实用的板料成形模拟软件一定具有广泛的应用价值和市场潜力。汽车制造业中最重要的方法是冲压生产，而作为冲压生产三要素之一的板料，由于在轧制过程中受到外力、温度、加工条件等影响，在轧制和热处理后会出现纤维性组织和结晶择优，从而形成明显的正交各向异性，影响冲压产品的精度。具有各向同性的金属板材，经深冲后，冲杯边缘通常是比较平整的；而具有各向异性的板材经深冲后，拉深直壁出现断裂，凸缘则呈波浪形——“制耳”[8]。冲压后的制品如