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硼鋼熱沖壓熱模擬實(shí)驗(yàn)與損傷演化建模仿真研究

發(fā)布時(shí)間:2018-01-21 20:36

  本文關(guān)鍵詞: 熱沖壓 硼鋼22MnB5 熱模擬 損傷 本構(gòu)模型 出處:《北京科技大學(xué)》2015年博士論文 論文類型:學(xué)位論文


【摘要】:安全和環(huán)保成為當(dāng)前汽車制造業(yè)的發(fā)展主題,采用超高強(qiáng)度鋼板制造車身不僅可以減輕車身重量、降低油耗,而且可以提高車身碰撞安全性。超高強(qiáng)度鋼板在傳統(tǒng)冷沖壓中易出現(xiàn)破裂、回彈等成形缺陷,而硼鋼熱沖壓工藝可以有效地解決這些問(wèn)題。硼鋼熱沖壓工藝主要流程:加熱鋼板至奧氏體化溫度并保溫一段時(shí)間,隨后板料被迅速轉(zhuǎn)移到安裝在快速壓力機(jī)的模具上,利用配有冷卻系統(tǒng)的模具成形后,保壓一段時(shí)間,在模具中淬火獲得完全馬氏體組織并使零件形狀尺寸趨于穩(wěn)定,淬火后零件抗拉強(qiáng)度達(dá)到1500MPa級(jí)別。 硼鋼熱沖壓工藝是典型的零件成形成性一體化技術(shù),能在保證零件成形的基礎(chǔ)上,同時(shí)提升零件性能,屬于零件成形研究領(lǐng)域前沿。熱沖壓工藝中存在很多工程科學(xué)問(wèn)題需要被解決:熱沖壓工藝對(duì)板料力學(xué)性能和微觀組織的影響規(guī)律,板料加熱和模具淬火過(guò)程中相變問(wèn)題,板料熱成形條件下高溫變形行為,板料高溫成形性能和成形極限,板料與模具之間的傳熱、摩擦行為等。本文借助熱物理模擬技術(shù)摸索硼鋼熱沖壓工藝對(duì)板料力學(xué)性能和微觀組織的影響規(guī)律和板料熱成形條件下高溫變形行為,并重點(diǎn)研究硼鋼熱沖壓成形過(guò)程中板料損傷演化、建模和模擬。 利用Gleeble熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)開(kāi)展硼鋼熱沖壓工藝影響規(guī)律熱模擬實(shí)驗(yàn)研究。研究不同加熱曲線對(duì)22MnB5高溫成形性能和淬后力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明組合式加熱曲線最優(yōu);進(jìn)行連續(xù)加熱相變實(shí)驗(yàn),建立22MnB5奧氏體化Johnson-Meh1-Avrami方程;進(jìn)行熱沖壓工藝流程熱模擬實(shí)驗(yàn),探索工藝參數(shù)對(duì)22MnB5力學(xué)性能和微觀組織的影響規(guī)律,獲得了最優(yōu)的熱沖壓工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果將為熱沖壓工藝制定和工藝參數(shù)選擇提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論指導(dǎo),并揭示了熱沖壓工藝中22MnB5微觀組織演化規(guī)律。 通過(guò)Gleeble熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高溫拉伸實(shí)驗(yàn)研究熱成形條件下22MnB5高溫變形行為。建立了考慮應(yīng)變的Arrhenius型本構(gòu)方程,該方程使用雙曲正弦函數(shù),考慮高溫變形熱激活過(guò)程,能夠較好地描述22MnB5熱變形真應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。建立了基于位錯(cuò)密度的統(tǒng)一粘塑性本構(gòu)模型,通過(guò)遺傳算法優(yōu)化求解模型材料常數(shù),該模型考慮加工硬化、位錯(cuò)密度、應(yīng)力、應(yīng)變率、溫度等內(nèi)變量之間內(nèi)在關(guān)系,能夠反映22MnB5高溫變形本質(zhì)規(guī)律。 利用SEM觀察高溫拉伸試件斷口附近微觀組織與斷口形貌,分析損傷產(chǎn)生和演化機(jī)理,揭示了22MnB5高溫單軸拉伸損傷演化過(guò)程:夾雜顆粒剝落→微孔洞形成→微孔洞匯聚→較大的微孔洞→微裂紋形成→材料接近破壞;谶B續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)建立耦合損傷統(tǒng)一粘塑性本構(gòu)模型,模型可以描述高溫拉伸變形中加工硬化、穩(wěn)態(tài)流動(dòng)、損傷破壞三段過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了真應(yīng)力-應(yīng)變曲線陡降段預(yù)測(cè)。編寫VUMAT子程序并進(jìn)行單軸拉伸有限元模擬,驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性和VUMAT子程序有效性。 由熱態(tài)凸模脹形試驗(yàn)獲得22MnB5高溫成形極限曲線。引入多軸損傷因子,把單軸狀態(tài)耦合損傷統(tǒng)一粘塑性本構(gòu)模型推廣至平面應(yīng)力狀態(tài),利用成形極限曲線數(shù)據(jù)優(yōu)化求解模型參數(shù),由所建立的平面應(yīng)力狀態(tài)損傷本構(gòu)模型預(yù)測(cè)不同變形條件下22MnB5高溫成形極限。分析了模型參數(shù)對(duì)成形極限曲線預(yù)測(cè)效果的影響。編寫VUMAT子程序并進(jìn)行比例拉伸有限元模擬,驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性和VUMAT子程序有效性。 采用彈性預(yù)測(cè)、塑性迭代修正應(yīng)力更新算法編寫耦合損傷統(tǒng)一粘塑性本構(gòu)模型VUMAT子程序。利用開(kāi)發(fā)的VUMAT子程序,進(jìn)行高溫單軸拉伸有限元模擬分析,利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了有限元計(jì)算的斷裂位移和載荷-位移曲線。進(jìn)行杯形熱拉深試驗(yàn)及其有限元模擬,驗(yàn)證了模型對(duì)熱沖壓成形中破裂現(xiàn)象的預(yù)測(cè)效果,并摸索了工藝參數(shù)對(duì)杯形熱拉深成形極限的影響。利用二次開(kāi)發(fā)的有限元模擬M形截面零件熱沖壓成形過(guò)程,分析了M形零件成形過(guò)程的應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和損傷分布,對(duì)比了M形零件實(shí)際厚度與有限元計(jì)算厚度。通過(guò)以上三種有限元模擬及相關(guān)驗(yàn)證,說(shuō)明所建立的耦合損傷統(tǒng)一粘塑性本構(gòu)模型對(duì)熱沖壓成形過(guò)程中損傷演化計(jì)算的準(zhǔn)確性和破裂預(yù)測(cè)的有效性,能夠把該模型運(yùn)用至實(shí)際零件熱沖壓數(shù)值模擬過(guò)程中,以預(yù)測(cè)實(shí)際零件的成形極限并避免破裂缺陷的產(chǎn)生。
[Abstract]:Safety and environmental protection has become the theme of development of automobile manufacturing industry at present, using ultra high strength steel body manufacturing can not only reduce body weight, reduce fuel consumption, but also can improve the vehicle collision safety. Ultra high strength steel is easy to appear in the traditional cold stamping springback rupture, forming defects, and boron steel hot stamping process can be effectively solved these problems. The main process of boron steel hot stamping process: heating plate to the austenitizing temperature and holding time, then quickly transferred to the panel is installed in the mould fast press on the use of the mold is equipped with cooling system after forming pressure for a period of time, in the die quenching martensite and get completely the shape size tends to be stable, the tensile strength of parts reach 1500MPa level after quenching.
Boron steel hot stamping process is a typical form of parts into integration technology, can guarantee the basic parts forming, and improve the performance of the parts forming belongs to the frontier research areas. Many engineering problems need to be solved in hot stamping process: the influence of hot stamping process of sheet microstructure and mechanical properties, phase transformation the problem of sheet heating and quenching process, the deformation behavior of sheet metal under the condition of high temperature, high temperature of sheet metal formability and forming limit, the heat transfer between the blank and die, friction behavior. The heat physical simulation and influence of sheet heat exploration hot stamping process of sheet steel and mechanical properties the microstructure forming deformation behavior under high temperature conditions, and focus on the hot stamping process of boron steel plate material damage evolution, modeling and simulation.
In order to carry out hot stamping process effect of thermal simulation experiments with Gleeble thermal simulation testing machine. The effect of different heating curve of 22MnB5 high temperature formability and mechanical properties after quenching. The results show that the combined optimal heating curve; continuous heating transformation experiment, establish 22MnB5 austenitised Johnson-Meh1-Avrami equation; simulation of hot stamping process the thermal effect, explore the law of process parameters on the microstructure and mechanical properties of 22MnB5, the hot stamping process parameters. The optimal experimental results for hot stamping process and process parameters, to provide experimental basis and theoretical guidance, and reveals the evolution of microstructure in hot stamping process 22MnB5 law.
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本文編號(hào):1452506

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