發(fā)布時(shí)間：2020-11-20 23:50

　　 高強(qiáng)度鋼熱沖壓是對(duì)高溫板料進(jìn)行沖壓成形并保壓淬火以獲得高強(qiáng)度零件的先進(jìn)制造技術(shù),是實(shí)現(xiàn)車身輕量化和保障整車碰撞安全性的重要途徑。熱沖壓成形階段涉及復(fù)雜的熱-力耦合問(wèn)題,溫度、應(yīng)變率影響下的材料損傷演化對(duì)高強(qiáng)度鋼板熱成形性的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。高溫下成形工藝的不合理將促使板料內(nèi)部損傷的加劇發(fā)展,并最終導(dǎo)致板料的失穩(wěn)破裂,這將嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量并造成資源浪費(fèi)。因此,對(duì)高強(qiáng)度鋼板在熱沖壓成形工藝下的損傷演化行為進(jìn)行深入研究,進(jìn)而建立準(zhǔn)確的成形性預(yù)測(cè)方法,對(duì)熱沖壓實(shí)際生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過(guò)開(kāi)展高強(qiáng)度硼鋼22MnB5高溫拉伸熱模擬實(shí)驗(yàn)和成形極限實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)板料的高溫變形力學(xué)行為和斷裂機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究。進(jìn)一步,基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,發(fā)展了適用于熱沖壓?jiǎn)栴}的細(xì)觀損傷模型本構(gòu)積分算法和成形極限預(yù)測(cè)方法。最后,結(jié)合所識(shí)別的高溫?fù)p傷特征參數(shù),實(shí)現(xiàn)了板料高溫成形極限和實(shí)際熱沖壓過(guò)程中板料破裂的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。為此,本博士論文主要研究?jī)?nèi)容包括:(1)設(shè)計(jì)開(kāi)展了系統(tǒng)的熱-力模擬拉伸實(shí)驗(yàn),研究了降溫速率、拉伸速度以及變形溫度對(duì)鋁硅鍍層高強(qiáng)度硼鋼22MnB5流動(dòng)行為和斷裂特征的影響。同時(shí),借助非接觸光學(xué)測(cè)量技術(shù)和紅外測(cè)溫技術(shù),研究了高溫樣件標(biāo)距長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,降溫速率、拉伸速度以及變形溫度均會(huì)對(duì)材料的延伸率、峰值力等產(chǎn)生顯著影響;此外,在勻速拉伸過(guò)程中,高溫樣件不同位置在不同拉伸階段將表現(xiàn)出不同的變形速率,這種局部應(yīng)變率效應(yīng)會(huì)對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。通過(guò)對(duì)樣件斷口進(jìn)行微觀形貌觀測(cè)并結(jié)合變形特征分析,明確了 22MnB5板料的斷裂機(jī)理:微孔洞形核-微孔洞長(zhǎng)大-孔洞間聚合-形成微裂紋-形成宏觀裂紋并發(fā)生斷裂。同時(shí),闡明了溫度和應(yīng)變率對(duì)樣件損傷演化的影響。(2)針對(duì)高強(qiáng)度鋼板高溫變形特點(diǎn),采用完全隱式的向后Euler應(yīng)力返回算法,實(shí)現(xiàn)了率相關(guān)Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)細(xì)觀損傷模型的本構(gòu)積分,并開(kāi)發(fā)了VUMAT用戶材料子程序。采用參數(shù)反分析法對(duì)22MnB5在不同變形溫度、應(yīng)變率下的損傷特征參數(shù)進(jìn)行了準(zhǔn)確識(shí)別。通過(guò)有限元數(shù)值仿真,研究了局部應(yīng)變率對(duì)材料變形行為的影響:在拉伸相同位移時(shí),與不考慮應(yīng)變率仿真相比,樣件的均勻變形程度將明顯增大。研究了樣件在拉伸過(guò)程中的損傷演化規(guī)律和加載工況對(duì)損傷參數(shù)的影響;最后,分析了損傷特征參數(shù)對(duì)材料力學(xué)行為的影響。(3)通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)套熱成形極限測(cè)試設(shè)備,開(kāi)展了高強(qiáng)度硼鋼成形極限實(shí)驗(yàn)研究�；贜akazima脹形實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理,建立了 22MnB5在不同脹形溫度下的熱成形極限圖(Thermal Forming Limit Diagram,TFLD)。借助于非接觸光學(xué)測(cè)量技術(shù),對(duì)樣件在脹形過(guò)程中的變形特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析,并分析了溫度、摩擦對(duì)板料成形性的影響。進(jìn)一步基于雙拉-預(yù)變形理論,對(duì)成形極限最低點(diǎn)出現(xiàn)在成形極限圖的右半?yún)^(qū)做出了合理解釋。(4)建立了耦合細(xì)觀損傷的M-K模型成形極限預(yù)測(cè)方法,對(duì)預(yù)測(cè)流程做了詳細(xì)推導(dǎo)。分別以臨界孔洞體積分?jǐn)?shù)和失效孔洞體積分?jǐn)?shù)為判據(jù)對(duì)22MnB5在室溫和高溫下的成形極限進(jìn)行了理論預(yù)測(cè),分析了孔洞損傷在不同加載路徑下的演化規(guī)律。同時(shí),建立了 Nakazima脹形有限元模型,采用識(shí)別的損傷參數(shù)和VUMAT子程序,實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣件斷裂位置的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)并分析了高溫變形對(duì)損傷演化的影響。進(jìn)一步,通過(guò)有限元仿真建立了 22MnB5在不同溫度和變形速度下的成形極限圖。同時(shí),建立了 22MnB5在不同溫度下的應(yīng)力成形極限圖并做了規(guī)律分析。(5)利用開(kāi)發(fā)的VUMAT子程序,對(duì)某車型B柱的熱沖壓過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真并開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)板料在成形過(guò)程中的溫度場(chǎng)、損傷分布規(guī)律等做了分析。通過(guò)對(duì)沖頭力-位移曲線、板料破裂位置的預(yù)測(cè),進(jìn)一步驗(yàn)證了本文建立的耦合損傷本構(gòu)積分算法和損傷參數(shù)識(shí)別的有效性,可用于實(shí)際熱沖壓過(guò)程中板料的成形性預(yù)測(cè)。最后,分析了初始成形溫度和沖壓速度對(duì)22MnB5板料成形性的影響。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG301
【部分圖文】：

近似“從門到門”的出行方式仍是人們的主要選擇。根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，??２０１７年中國(guó)汽車總產(chǎn)量為２９０１．５４萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)３．１９％；汽車總銷量為２８８７．８９萬(wàn)輛，??同比增長(zhǎng)３．０４％。圖１．１為２０１０年至２０１７年間中國(guó)的汽車產(chǎn)銷量情況，可以看出，中??國(guó)汽車產(chǎn)銷量呈逐年遞增的發(fā)展趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止１７年６月，我國(guó)汽車保有量已達(dá)??２．０５億輛。人均汽車保有量的增長(zhǎng)，勢(shì)必會(huì)增加我國(guó)石油資源的供給壓力，加劇能源危??機(jī)；另一方面，汽車尾氣排放也會(huì)造成環(huán)境污染以及溫室效應(yīng)等問(wèn)題。因此，實(shí)現(xiàn)節(jié)能??減排是目前汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向。??３０００?＾?□產(chǎn)？?——：繼?］３＿??ａ－?２８００??■??－２６００??２０００－１??１?：?Ａ＼?ｇ??■?￣￣＾１?－?２４００?§??ｉ?１５００－?，?ｓ??＾?＇?｜?／?－?２２００??１０００－?ｆ??／?－?２０００??５００－?一乂??〇＿?，ｉ?ｔ?．Ｉ，．，?（ｉ，ｉ?ｔ?：，?＿＿１＿＿ｙ＿，＿－ｊ＿＿，＿ｕ＿＿，＿＿ｕ＿＿??２０１０?２０１１?２０１２?２０１３?２０１４?２０１５?２０１６?２０１７??時(shí)間??圖１．１?２０１０－２０１７年中國(guó)汽車產(chǎn)銷量情況??Ｆｉｇ．?１．１?Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｓａｌｅｓ?ｉｎ?Ｃｈｉｎａ?（２０１０－２０１７）??汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑［１，２］。相較于車身零部件的優(yōu)化減重，高強(qiáng)??度材料的應(yīng)用將得到更加顯著的減重收益

圖１．２熱沖壓成形基本工藝原理??Ｆｉｇ．?１．２?Ｂａｓｉｃ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｈｏｔ?ｓｔａｍｐｉｎｇ??熱沖壓成形的一般工藝流程及原理如圖１．２所示。以高強(qiáng)度硼鋼２２ＭｎＢ５鋼板的熱??成形過(guò)程為例：首先，將板料加熱至奧氏體溫度，一般控制在９００？９５０°Ｃ之間，并保溫??４？ｌＯｍｉｎ，以實(shí)現(xiàn)板料奧氏體組織的均勻化。隨后將高溫板料轉(zhuǎn)運(yùn)至熱沖壓水冷模具中，??轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間控制在３－６ｓ之間，以避免發(fā)生奧氏體組織向鐵素體、珠光體的轉(zhuǎn)化，影響最終??成形件的力學(xué)性能。隨后快速?zèng)_壓成形，并保壓淬火，時(shí)間一般控制在１０？３０ｓ之間，??以減小成形件的回彈，提高尺寸精度；另一方面，提高淬火均勻性，保證最終成形件中??馬氏體組織的轉(zhuǎn)化量。其中，熱沖壓零件的最終力學(xué)性能取決于微觀組織中馬氏體的含??量：馬氏體含量高則抗拉強(qiáng)度高，反之則較低。??熱沖壓零部件可在減輕車身重量的同時(shí)保證汽車的碰撞安全性。目前

圖１．３熱沖壓零部件在汽車白車身上的應(yīng)用??Ｆｉｇ．?１．３?Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｈｏｔ?ｓｔａｍｐｉｎｇ?ｐａｒｔｓ?ｉｎ?ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ?ｂｏｄｙ－ｉｎ－ｗｈｉｔｅ??
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2892196