《武汉工程大学学报》 2019年02期
146-149
出版日期：2019-04-18
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
一种损伤准则在差厚板拉伸成形中的应用
差厚板做为一种轻量化材料，在能有效保持安全性能、舒适性的同时降低燃料的消耗，因此越来越受到人们的关注［1-4］。然而在差厚板成形过程中板料发生的起皱、破裂等断裂缺陷直接影响零部件的质量，如何预测和避免发生这些缺陷对于指导生产实践有着重要意义［5］。国内外学者从成形极限、韧性损伤准则等方面建立了各种预测板料破裂的准则，并采用实验和模拟结合的方法验证了所建立准则的准确性［6-8］。李云［9］基于Lemaitre理论，采用混合法对实验和模拟结果进行分析，建立了适用于高强钢差厚板热成形的韧性断裂准则。黄建科［10］将新建立的韧性断裂准则应用于金属板料成形中断裂预测，并进行冲压试验，结果表明所建立的韧性断裂准则比成形极限图能够更好预测非线性变形路径下的板料冲压过程中的破裂现象。杨信［11］以连续损伤力学为基础，通过Abaqus软件对盒形件冲压进行模拟，建立了韧性断裂准则并得到了差厚板盒形件的冲压成形极限预测值。然而国内外学者［12-16］大多数都是对等厚板进行研究，对于差厚板断裂成形行为研究较少，本文提出采用单向拉伸实验与反复加载卸载实验相结合的方法来研究差厚板拉伸断裂行为，首先通过单向拉伸实验获得了差厚板基本的力学性能参数，分析了拉伸中塑性行为变化，然后结合反复加载卸载实验得到了差厚板断裂准则，建立了损伤变量与应变之间的非线性关系式，并采用实验与数值模拟结合的方法来验证所建立准则的准确性。1 实验部分实验材料为Cr340差厚板，化学成分：w（C）=0.077%，w（Mn）=0.429%，w（Si）=0.341%。还含有少量的S、Al等元素。差厚板由厚度2 mm的厚区、过渡区和厚度1 mm的薄区组成，板材沿拉伸方向的截面形状如图1所示。根据实验标准ASTM，差厚板不同厚度区域反复加载卸载试样尺寸与单向拉伸试样尺寸相同，如图2所示。实验设备为INSTRON电子万能拉伸试验机，拉伸速度为2 mm/min。2 结果与讨论2.1 单向拉伸实验应用单向拉伸实验得到的材料力学性能参数如表1所示。拉伸结果如图3所示，差厚板不同区域拉伸真应力-应变曲线如图4所示。从表1可以看出，三者的杨氏模量相近，屈服强度和抗拉强度过渡区最小，板料的屈服强度是弹性变形和塑性变形的分界点，屈服强度越小，表明板料越容易发生塑性变形。差厚板过渡区的屈强比为0.76，与薄区、厚区相比其最小，而屈强比是衡量板料冲压成形性的间接指标，小的屈强比几乎对所有的冲压成型都是有利的，屈强比小表明板料容易产生塑性变形而不易产生拉伸断裂，塑性变形空间大，成形性能好。图3和图4表明，差厚板试样在单向拉伸力的作用下，经过弹塑性变化发生断裂，其断裂位置在过渡区内靠近薄区处，而等厚区其断裂位置位于平行部分中间处。这是由于差厚板厚度的不均匀性及加工过程导致的。一方面，在拉伸过程中，相同的拉伸力，截面积越小越容易产生断裂，另一方面，由于差厚板是轧制形成的，在加工过程中会产生微观上的空洞等缺陷，导致在拉伸过程中，断裂易在缺陷处发生。2.2 反复加载卸载实验在拉伸相同距离后以相同的速率进行卸载，根据实验结果计算出弹性模量和损伤变量，计算方法如式（1）和式（2）所示，并获得不同厚度损伤变量、弹性模量与应变的关系，如图5所示。[Ei=Ei+Ei-1+Ei+13???????????] （1）[D=1-EiE0] （2）经过反复加载卸载实验得到不同厚度区域板料断裂时的应变[εc]、未损伤材料的弹性模量[E0]及断裂时的损伤变量[Dc]如表2所示，不同厚度区域板料在拉伸初始阶段，弹性模量E下降趋势较大，在接近断裂时，下降逐渐变缓慢。从图5可以看出，损伤变量随应变先上升得较快，后较慢，采用线性函数和非线性函数对其进行拟合，非线性拟合度大于线性拟合度，故损伤变量与应变之间的关系更适合于非线性拟合，拟合结果见式（3）~式（5）。[D1=0.245-0.284e-ε/0.077] （3）[D2=0.174-0.246e-ε/0.021 2] （4）[DTRB=0.238-0.268e-ε/0.018 1] （5）其中，式（3）为1 mm薄区损伤变量与应变关系，式（4）为2 mm厚区损伤变量与应变关系，式（5）为过渡区损伤变量与应变关系。2.3 数值模拟结果基于Abaqus/cae平台分别创建1 mm和2 mm的等厚区拉伸模型，同时创建厚度连续变化的过渡区板料的拉伸模型，并采用八节点线性六面体单元，缩减积分，沙漏控制（C3D8R）对其进行网格划分，并将实验中获得的材料参数赋予给对应厚度的单元，一端固定，另一端以与实验相同的速率进行仿真模拟，差厚板单向拉伸仿真模型如图6所示。图7为嵌入损伤准则的差厚板拉伸后应变分布云图，从图7中可以看出，塑性变形集中于差厚板薄区内，厚区几乎不变形，其断裂位置位于试样邻近薄区的平行部分，且是发生明显紧缩后断裂，这与拉伸实验结果相吻合，表明损伤准则是较准确的。图8是实验和模拟的力与位移关系曲线，从图8可以看出，两者弹性模量较接近，发生紧缩位置相吻合，实验与模拟相比，两者基本吻合，再次验证了损伤准则的准确性。3 结 语本文通过单向拉伸实验建立了差厚板厚度真应力-应变关系曲线，结合反复加载卸载实验建立了差厚板非线性损伤准则，并将其运用于Abaqus有限元软件中，通过实验与模拟结合的方法，得到以下结论：1）差厚板单向拉伸中损伤变量与应变之间呈现非线性关系，且损伤变量随应变增加呈现出先增加得较快后较慢的趋势。2）将实验得到的损伤关系式嵌入Abaqus软件中对差厚板进行模拟实验，模拟结果表明塑性变形主要集中于邻近薄区的厚区过渡区，断裂位置与实验相吻合，验证了损伤关系的准确性。