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耦合损伤的高强铝合金AA7075粘塑性本构模型及热冲压成形模拟

李海兵  
【摘要】:汽车轻量化是实现节能减排的主要途径之一,高强铝合金汽车结构件不仅可以满足强度要求,而且较大程度上减轻了汽车车身重量,成为汽车轻量化技术中最理想的材料之一。其中,AA7075铝合金不仅有密度小、耐腐蚀性能好的特点,而且有着较高比强度和比刚度,因此逐渐被用于汽车结构件的制造。然而,AA7075铝合金面临室温下成形性较差、易发生回弹和破裂等问题,可通过热冲压工艺改善成形性能。当前,铝合金热冲压过程中还存在着一些关键性问题:板材热变形行为、热冲压成形质量和热成形件微观组织的演化规律。本文对AA7075铝合金的热变形行为和微观组织演变规律进行了研究,基于损伤演化机理建立了粘塑性本构模型,揭示了热冲压成形过程中材料的热变形行为和微观组织演化,并对典型T型件的热冲压成形过程进行了数值模拟,主要工作内容与相关结论如下:(1)揭示了AA7075铝合金热变形行为及其组织演变规律。利用Gleeble 3500C热模拟实验机对AA7075铝合金的热变形行为进行了研究,获得了在不同变形温度(350℃、400℃和450℃)和不同应变速率(0.01 s-1、0.1 s-1和1 s-1)下的应力应变曲线,阐明了变形温度、应变速率对AA7075铝合金高温流变应力的影响,结果表明:随着应变速率增大,流动应力呈增大趋势,而随着温度升高,流动应力下降;断裂应变随温度升高逐渐减小随应变速率增大而增加。通过分析AA7075铝合金350℃和450℃的断口形貌,进一步揭示了热变形的损伤演变机制:350℃下断裂机理为典型的韧性损伤断裂,而450℃下为准解理断裂。(2)构建了AA7075铝合金耦合损伤的粘塑性本构模型。基于AA7075铝合金单轴热拉伸实验,修正了位错密度演化方程,综合考虑了变形温度、应变速率、损伤、晶粒尺寸及位错密度等内变量之间的作用,建立了耦合损伤的粘塑性本构模型。基于遗传算法对模型参数进行了标定,通过与实验值对比发现,该模型能够较好的描述AA7075铝合金在不同温度和应变速率下的硬化、软化及损伤演化规律。(3)模拟了AA7075铝合金热流变和微观组织演化规律。基于Abaqus/VUMAT平台建立了 AA7075铝合金单轴热拉伸的有限元模型,通过对比模拟与实验的载荷-位移和晶粒尺寸演化规律,验证了有限元模型的可靠性,进一步预测了 AA7075铝合金在热拉伸过程中的损伤演变规律。(4)对典型AA7075铝合金的T型件进行热冲压有限元模拟研究。基于T型件热冲压成形实验,建立了 T型件的热冲压有限元模型。分析了 T型件在热冲压过程中温度场和塑性应变场的变化规律,并对T型件在热冲压过程中微观组织的演化进行了精确预测。高温区域主要位于T型件中心位置。塑性应变主要发生在凸凹模圆角区域,且凸模圆角区域相较于凹模圆角区域应变量更大。由于板料在凸凹模圆角处的应变量较大,因此T型件在该处的减薄率较高。T型件在热成形过程中,损伤主要分布在凸模圆角处。T型件的位错密度演化主要发生在凸模和凹模圆角处,当变形温度升高时,T型件位错密度有下降的趋势。随着成形温度的升高,T型件的晶粒尺寸呈减小的趋势。


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