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车用6016铝合金冲压仿真研究

肖晋  
【摘要】:当前,汽车轻量化已成为汽车行业发展的潮流,铝合金由于其质轻、强度高、耐腐蚀性好等优点,是应用最广泛的轻量化材料之一。但由于铝合金本身成形性比钢板较差,加之覆盖件结构复杂,导致成形过程中易出现起皱、破裂等问题,因此在铝合金板料的成形过程设计中,考虑其结构在大变形条件下可能发生的损伤失效行为尤为重要。本文以6016铝合金材料为研究对象,借助LS-DYNA材料库二次开发平台(User-defined material),编写了包含材料各向异性的GTN损伤模型材料子程序,从而建立了适合进行细观损伤分析的精细化本构模型,并结合有限元分析技术,深入研究了6016铝合金材料在冲压过程中的损伤演化和韧性断裂过程,为今后6016铝合金的冲压过程设计提供了有价值的参考。本文主要工作及结论如下:(1)首先,本文对GTN模型的基本理论及其数值方法进行了介绍,并引入Hill’48各向异性屈服准则,借助LS-DYNA自定义材料子程序接口,建立了相应的VUMAT子程序,并验证了子程序的正确性。随后,通过圆杯件拉深算例,研究了各向异性对板料冲压仿真结果的影响,结果表明:各向异性对材料的宏观力学行为及损伤演化都存在较大影响;(2)由于GTN损伤参数较多,为避免盲目取值,本文以平板拉伸样件为例,研究了各GTN参数及网格尺寸对仿真结果的影响规律,结果表明:(1)Nf、N?与Ns三个参数对孔洞损伤演化过程有很大影响,改变其参数值对仿真载荷-位移曲线影响较大;(2)cf与?两个参数只影响损伤最后阶段,当其值变化不大时,对载荷-位移曲线影响较小,但对样件断裂形式及断后颈缩量有显著影响;(3)网格尺寸对平板拉伸样件仿真断裂形式及断后颈缩量存在较大影响,当网格尺寸减小至0.2mm时,计算结果已趋于稳定,继续减小尺寸,所得裂纹更加精细。(3)为获取6016铝合金材料的GTN参数,对6016铝合金进行了材料拉伸实验,分别采用传统有限元反向标定法(仅以实验载荷-位移曲线作为唯一评判标准),和在此基础上新增样件断裂方式及断后颈缩量作为评判标准,确定了2组GTN参数。通过对比两组仿真结果得出:(1)只以载荷-位移曲线作为评判标准所确定的GTN参数不具有唯一性,不一定能准确的反映出材料实际的断裂失效情况;(2)新增样件断后颈缩量和断裂角度两项评判标准所确定的GTN参数不仅能使仿真载荷-位移曲线与实验载荷-位移曲线很好的吻合,还能准确的反映出样件的实际断裂情况;(4)最后,分别采用Hill’48-GTN模型和Mises-GTN模型及不同网格尺寸对6016铝合金杯突冲压过程进行了仿真分析,通过对比仿真结果,验证了上述结论,即:(1)Hill’48-GTN模型计算所得载荷-位移曲线和板料裂纹与实验能很好的吻合,采用考虑材料各向异性的GTN本构模型能使计算结果更合理;(2)新增的两项评判标准所确立的GTN参数能更加准确的反映板料冲压过程的实际损伤和断裂情况;(3)网格尺寸对板料损伤分布及仿真裂纹影响很大,为了得到较好的仿真裂纹,在计算条件允许的情况下,网格尺寸应尽量小。


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