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5052铝合金冲压成形过程中韧性断裂的仿真研究

来源期刊:中国有色金属学报2015年第11期

论文作者:余海燕 王友

文章页码:2975 - 2982

关键词:铝合金;球头胀形;韧性断裂;数值模拟

Key words:aluminum alloy; spherical bulging; ductile fracture; numerical simulation

摘    要:对5052铝合金进行单向拉伸试验,使用试验曲线拟合Voce模型参数。观察拉伸试样断口形貌,并使用光学显微镜测量拉伸试样断口的最小厚度。结合单向拉伸仿真和试验结果,求解得到Cockcroft-Latham 韧性断裂准则中的材料参数。将Voce 模型和Cockcroft-Latham 韧性断裂准则引入球头胀形仿真,并进行试验对比。结果表明:采用该拟合的Voce 模型和Cockcroft-Latham韧性断裂准则预测所得零件开裂位置和裂口形状与试验结果吻合,采用的基于有限元仿真与简单试验相结合的材料参数反求方法具有求解方便、计算精度高的优点。

Abstract: The uniaxial tensile tests were conducted on 5052 aluminum alloy and Voce model parameters were determined by fitting with the experimental curves. The fracture surface was observed and the minimum thickness of it was measured with optical microscope. The material parameter of Cockcroft-Latham ductile damage criteria was achieved through uniaxial tensile simulation and test results. voce model and Cockcroft-Latham ductile damage criterion were introduced into the numerical simulation of spherical bulging and simulation approach was employed to compare with the experimental results. The results show that the position and shape of the fracture surface simulated with Voce model and Cockcroft-Latham ductile damage criteria are in good agreement with the experimental ones. The method of material parameters identification based on finite element simulation and simple tests has high accuracy and can be applied conveniently.



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文章编号:1004-0609(2015)-11-2975-07

5052铝合金冲压成形过程中韧性断裂的仿真研究

余海燕,王  友

(同济大学 汽车学院,上海 201804)

摘  要:对5052铝合金进行单向拉伸试验,使用试验曲线拟合Voce模型参数。观察拉伸试样断口形貌,并使用光学显微镜测量拉伸试样断口的最小厚度。结合单向拉伸仿真和试验结果,求解得到Cockcroft-Latham 韧性断裂准则中的材料参数。将Voce 模型和Cockcroft-Latham 韧性断裂准则引入球头胀形仿真,并进行试验对比。结果表明:采用该拟合的Voce 模型和Cockcroft-Latham韧性断裂准则预测所得零件开裂位置和裂口形状与试验结果吻合,采用的基于有限元仿真与简单试验相结合的材料参数反求方法具有求解方便、计算精度高的优点。

关键词:铝合金;球头胀形;韧性断裂;数值模拟

中图分类号:TG389       文献标志码:A

Bulging simulation of ductile fracture of 5052 aluminum alloy

YU Hai-yan, WANG You

(School of Automotive Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract: The uniaxial tensile tests were conducted on 5052 aluminum alloy and Voce model parameters were determined by fitting with the experimental curves. The fracture surface was observed and the minimum thickness of it was measured with optical microscope. The material parameter of Cockcroft-Latham ductile damage criteria was achieved through uniaxial tensile simulation and test results. voce model and Cockcroft-Latham ductile damage criterion were introduced into the numerical simulation of spherical bulging and simulation approach was employed to compare with the experimental results. The results show that the position and shape of the fracture surface simulated with Voce model and Cockcroft-Latham ductile damage criteria are in good agreement with the experimental ones. The method of material parameters identification based on finite element simulation and simple tests has high accuracy and can be applied conveniently.

Key words: aluminum alloy; spherical bulging; ductile fracture; numerical simulation

铝合金由于具有密度低、耐腐蚀高、比强度高等特点,近来作为重要的轻质材料在汽车制造中被广泛使用[1-3]。破裂、起皱和回弹是板料冲压成形中的三大主要质量缺陷。铝合金和钢板相比,总伸长率更小,在室温下铝合金的成形性比钢板的差,更容易出现破裂现象[4-6]。准确模拟板料成形过程中的破裂现象,对成形工艺和模具设计具有重要意义。

金属材料的断裂主要可以分为脆性断裂和韧性断裂,多数铝合金属于韧性断裂[7-8]。韧性断裂准则从细观损伤力学角度出发,认为材料内部孔洞的缺陷在外力作用下不断地形核、长大并聚合, 最终引起了材料的损伤,可以较好地预测塑性差的板料成形性能[9-10]

影响韧性断裂的因素很多,主要可以分为两大类。一类与材料相关[11],如应变硬化水平、空穴体积分数和第二相粒子组成等;第二类与工艺相关[12-14],如应变速率、摩擦和成形温度等。韧性断裂是制约金属成形的一个重要因素,因此,很多学者以损伤思想为背景,提出了韧性断裂准则。

LEMAITRE[15]基于热力学提出塑性损伤模型:

(1)

式中:分别为材料单向拉伸损伤应变与损伤应变门槛值;是平均应力;是等效应力;ν是泊松比;p是塑性应变累积;Dc是临界损伤值;D为材料常数。OYANE等[16]研究多孔体材料在压缩状态下的本构关系,考虑平均应力的影响提出如下韧性断裂准则:

                             (2)

式中:为等效应变;为等效断裂应变;c2 为材料常数。

COCKCROFT等[17]认为对于某些给定的材料,最大拉应力是导致破坏的主要因素,当单位体积的塑性功达到某一极限值时材料发生破坏。将最大拉应力沿塑性应变路径积分,得到如下断裂准则:

                              (3)

式中:为最大拉应力;C为材料常数。

于忠奇等[18]针对塑性差的材料在破裂前无颈缩的现象,提出如下断裂准则:

                             (4)

式中:p和C均为材料常数。

由于有限元计算可获得板料变形过程中单元应力应变分布,因此可方便地将韧性断裂准则引入板料成形仿真,用于预测断裂的发生。CLIFT等[19]对墩粗、双向等拉、单向拉伸和压缩试验进行了预测。研究结果显示,考虑了材料广义塑性功极限值的断裂准则能更准确地预测材料断裂。TAKUDA等[20]将Oyane准则、Cockcroft-Latham准则、Brozzo准则和Clift准则等用于铝合金和低碳钢板拉深成形的断裂预测中。结果表明,通过Cockcroft-Latham准则、Oyane准则和Brozzo准则均能够得出比较准确的预测。考虑到Cockcroft-Latham韧性断裂准则在铝合金板拉深成形中预测较准确,且材料常数容易确定,因此本研究中球头胀形数值模拟使用该准则作为材料的破裂判据。

本文作者通过标准单向拉伸试验获得5052铝合金的应力-应变曲线,并通过拟合曲线获得5052铝合金的Voce模型参数,选择合适的韧性断裂准则,结合单向拉伸试验与有限元数值模拟确定5052铝合金的材料失效参数。将获得的材料参数引入球头胀形数值模拟中,使用LS-DYNA软件预测5052铝合金极限胀形能力,并进行试验验证。

1  单向拉伸试验

试验所用材料为5052防锈铝合金,铝合金板厚度为1 mm。试样依据ASTM E8/E8-09单向拉伸试验标准制备,试样尺寸如图1所示,采用电火花线切割加工。单向拉伸试验在电子万能试验机SANS上进行,为了减少应变速率波动的影响,试验中拉伸速度设置为1 mm/min。

图1  单向拉伸试样尺寸

Fig. 1  Dimensions of uniaxial tensile specimen (Unit: mm)

5052铝合金的工程应力-应变曲线如图2所示。由图2可以看出,0°、45°和90°这3个方向的拉伸试验曲线非常接近,弹性模量均为60624 MPa;名义屈服强度分别为175 MPa、185 MPa和175 MPa;抗拉强度分别为220 MPa、210 MPa和215 MPa;总伸长率分别为10%、11.2%和10.5%。由试验结果可知,5052铝合金3个方向的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和总伸长率都非常接近,这说明5052铝合金各向异性较弱。

图2  5052铝合金板单向拉伸工程应力-应变曲线

Fig. 2  Engineering strain—stress curves of 5052 aluminum alloy sheet in uniaxial tensile tests

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