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同济大学机械工程学院 硕士学位论文 激光拼焊板冲压成形数值模拟中焊缝性能的影响研究 姓名：邬晔佳 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：孔庆华 20090301 摘要 摘要 在汽车工业中广泛采用有限元方法来分析评价拼焊板的冲压成形性能，但 在目前大部分的工程应用仿真过程中，焊缝处理采用刚性连接，实践证明这种 简化方式的仿真结果在一些工况下与实际成形结果存在较大的差异。本文将采 用数值模拟、物理试验和力学解析方法系统地研究焊缝性能对于拼焊板冲压成 形数值模拟结果的影响，为拼焊板冲压成形有限元模拟正确应用于工程实践中 提供参考依据。 为了在数值模拟中给予拼焊板焊缝单元赋予正确的材料属性提供依据，首 先对拼焊板焊缝性能进行了金相组织、硬度分布以及单向拉伸等方面的综合分 析。其次，为了研究焊缝对拼焊板成形性能的影响，选取了板料塑性成形中两 大典型成形工序：单向拉伸和极限胀形，作为数值模拟研究对象。拼焊板模型 中，运用了两种焊缝处理方式，即忽略焊缝性能的刚性连接和考虑焊缝性能的 壳单元焊缝模型。在拼焊板单向拉伸数值模拟研究中，分析了采用刚性连接模 型和壳单元焊缝模型对于拉伸过程中的应变、缩颈时试件变形量、缩颈位置以 及焊缝移动量等方面的模拟结果的影响。结果表明：两种焊缝处理方式的模拟 结果之间差别很小。在此基础上基于刚性连接拼焊板模型，采用力学解析方法 推导了同材差厚拼焊板试件单向拉伸情况下缩颈时焊缝两侧薄厚板变形量公 式，并通过试验以及有限元方法验证了所推导公式的正确性。在拼焊板胀形成 形数值模拟研究中，分析了焊缝两侧材料不同匹配情况下焊缝性能的影响，总 结了不同焊缝处理方式的适用范围。研究表明：当焊缝两侧材料综合强度比相 当时，开裂首先发生在焊缝处，随即蔓延到邻近焊缝的母材区域，刚性连接模 型模拟开裂结果与真实情况完全不符，此时需要采用考虑焊缝性能的拼焊板模 型；当焊缝两侧材料综合强度比差异显著时，刚性连接拼焊板模型模拟结果在 成形高度、开裂形式、焊缝移动量和垂直于焊缝有效应变分布等方面都与壳单 元焊缝模型几乎相同，并且通过与物理试验结果比对，证实了两种有限元模型 模拟结果与真实情况一致，因此在此类情况下，数值模拟中可以使用刚性连接 模型，即忽略焊缝性能。最后，本文对拼焊板冲压成形焊缝建模技术中需要进 一步研究的工作提出了展望。 关键词：拼焊板，刚性连接，壳单元焊缝模型，数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sh a sb e e na p p l i e dw i d e l yi nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r yt o a s s e s st w bf o r m a b i l i t y i nt h ec u r r e n ti n d u s t r i a lp r a c t i c e h o w e v e r , t h ef i n i t ee l e m e n t m o d e l so ft a i l o r - w e l d e db l a n kg e n e r a l l yu s e dn o d a ld 百db o d i e st oj o i nt h ew e l d e d p a r e n t m a t e r i a l s a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h i s s i m p l i f i e dm o d e ls h o w d i s c r e p a n c yw i t ht h er e a l i t yi ns o m es i t u a t i o n s i no r d e rt h a tt h es i m u l a t i o n so ft w b c a nb ec o r r e c t l ya p p l i e di nt h ei n d u s t r y , t h i sp a p e ri st op e r f o r mas y s t e m a t i co ft h e i n f l u e n c eo ft h em a n l i e ri nw h i c ht h ew e l di sm o d e l e do nt h er e s u l t so f 丘i l i t ee l e m e n t s i m u l a t i o no ft a i l o r - w e l d e db l a n kf o r m i n go p e r a t i o n sb yt h em e t h o do fn u m e r i c a l s i m u l a t i o n , p h y s i c a lt e s t i n ga n ds t a t i c sa n a l y s i s i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h em a c r o s c o p i cf o r m i n gb e h a v i o u ro ft h ew e l da n d i n p u tr e a s o n a b l em a t e r i a lp r o p e r t i e so ft h ew e l di nt h es i m u l a t i o n s ，t h em i c r o h a r d n e s s t e s t i n g , m e t a l l o g r a p h i ci n s p e c t i o na n du n i a x i a lt e n s i l et e s to ft h ea c t u a lw e l dm e t a l w e r ep e r f o r m e df i r s t a n ds i m u l a t i o n sw e r ep e r f o r m e df o rt h ef o l l o w i n gm e t a l f o r m i n gt e s t s ：u n i a x i a lt e s ta n dd o m ef o r m i n g f i n i t ee l e m e n tm o d e l so ft w b b l a n k s w e r ec r e a t e dt h a te i t h e ri n c l u d e dad e t a i l e dr e p r e s e n t a t i o no ft h ew e l dp r o p e r t i e sa n d g e o m e t r y ( s h e l l - e l e m e n t w e l dm o d e l ) o ri n c l u d e d o n l y ar e l a t i v e l y s i m p l e r e p r e s e n t a t i o nt h a td i dn o tc a p t u r ee i t h e rt h eg e o m e t r yo rt h em a t e r i a lp r o p e r t i e so f t h ew e l d ( r i g i d - l i n km o d e l ) i nt h er e s e a r c ho nu n i a x i a lt e n s i l es i m u l a t i o no ft w b ， s i m u l a t i o n sw e r ec o n d u c t e dt oe x a m i n et h ee f f e c to fi n c l u d i n gw e l dp r o p e r t i e sa n d g e o m e t r y , o re x c l u d i n gw e l dp r o p e r t i e sa n dg e o m e t r yi nt e r m so f s t r a i nd e v e l o p m e n t d u r i n gd e f o r m a t i o n ，d i s p l a c e m e n ta tf a i l u r e ， f a i l u r e p o s i t i o n a n dw e l dl i n e d i s p l a c e m e n t t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h es u b t l ed i f f e r e n c e se x i s t e d b e t w e e nt h et w ok i n do fm o d e l s m o r e o v e r , b a s e do nt h er i g i d l i n km o d e l ，t h e e q u a t i o n sf o rt h eu n i a x i a lt e n s i l et w bs p e c i m e nw i t ht h es a m em a t e r i a la n dd i f f e r e n t t h i c k n e s sa r ed e d u c e dt oc a l c u l a t et h ev a l u eo fd e f o r m a t i o no ft h eb a s em e t a l m a t e r i a l sw h e nn e c k i n g a n dm e t h o do fp h y s i c a lt e s t i n ga n df i r f i t ee l e m e n ta n a l y s i s w e r ec a r r i e do u tt ov a l i d a t et h ee q u a t i o n s i nt h er e s e a r c ho nd o m ef o r m i n g 玎 垒坠型 一一 _i_-_-_-_-_-_i_-_-_-_-_-_-_。-_-_-_-_i_-_一一一。 s i m u l a t i o no ft w b t h es p h e r eo fa p p l i c a t i o no fd i f f e r e n tw e l dp r o c e s s i n gm o d ei n n u m e r i c a ls i m u l a t i o nb ya n a l y s i n gt h ee f f e c to ft h ew e l d 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a t w h e nt h ec o m p o s i t i v es t r e n g t hr a t i oo ft h ew e l d e dp a r e n tm a t e r i a l sw a sc o m p a r a t i v e ， c r a c ki n i t i a l l yo c c u r r e di nt h ez o n eo fw e l d i ns u c hac a s er i g i d l i n km o d e lc a nn o t o b t a i na c t u a lc r a c kf o r ma n ds h e l l e l e m e n tw e l dm o d e lw a sp r o p o s e d w h e nt h e d i s t i n c ts t r e n g t hd i s c r e p a n c ye x i s t e db e t w e e nt h ew e l d e dp a r e n t s ，l i t t l ed i f f e r e n c ei n d o m eh e i g h t ，c r a c kf o r m ，w e l dd i s p l a c e m e n t sa n dd i s t r i b u t i o no fe f f e c t i v es t r a i n p e r p e n d i c u l a rt ot h ew e l de x i s t e db e t w e e nr i g i d - l i n km o d e la n ds h e l l - e l e m e n tw e l d m o d e l a n dc o m p a r e dw i t hp h y s i c a lt e s t i n 岛t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h e s et w o m o d e l s w e r ep r o v e dt r u e s or i g i d - l i n km o d e lc o u l db ea p p l i e di ns u c hac a s e f i n a l l y , t h ep a p e rt e l l ss o m ef u r t h e rs t u d yd i r e c t i o n sa b o u tm o d d l i n gt e c h n i q u eo f w e l di n 6 n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n k e yw o r d s ：t a i l o r - w e l d e db l a n k ，r i g i dl i n k , s h e l l e l e m e n tw e l dm o d e l ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 白t 。竿1 专 2 口口c 1 年月l 了e t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：白手9 峰链 2 口。q 年弓月i - f e l 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 汽车工业己经成为我国国民经济的支柱产业之一，2 1 世纪是一个节能环保 的世纪，这个主题关系着全人类的生存与延续，基于对未来汽车的环境保护以 及节约燃料等方面的考虑n 1 ，除了对发动机性能和汽车车身空气动力学特性的改 善外，降低车身重量已经成为汽车轻量化的一个重要发展方向。在车身轻量化 过程中，除了选用铝基复合材料等新型材料替代传统材料外，一种结合传统材 料和新型生产工艺的拼焊板冲压成形技术迅速的发展起来了。 传统上汽车车身零件有两种成形方法口3 ：分离成形和整体成形。分离成形方 法利用不同的压机分别成形单个零件，然后将各个零件焊接起来组成目标部件。 这种方法虽然提高了材料选择的灵活性，但同时也增加了冲压和加工成本、装 配成本以及形状配合问题，焊接过程容易产生焊接变形和焊接残余应力，产品 整体刚度不佳，质量难以保证，且由于点焊时材料需要叠加在一起，因此造成 金属材料的浪费。整体成形方法则采用一块整体板在一台压机上同时成形几个 零件。这样，零件质量明显提高，但在设计过程中出于对零件某些局部的结构 性能要求，整个部件都用同样高性能的材料，既是浪费，又增加重量，已基本 不太适应时代的发展需要。这是整体成形方法与分离成形方法相比的一大缺点。 为了降低车身重量、提高车身的装配精度、增加车身的刚度、降低汽车车身制 造过程中的冲压和装配成本，减少车身零件的数目并将其整体化是非常必要的。 因而，一种同时克服了传统分离成形方法和整体成形方法的缺点的生产形式一 拼焊板( t w b ) 冲压成形发展起来了。 拼焊板( t a i l o r - w e l d e db l a n k s ，t w b s ) 冲压技术是指将两块或两块以上的金属 板料焊接在一起，然后进行冲压成形，并且其组成板料可以具有不同厚度、性 能、材质和表面涂层，如图1 1 所示。 第1 章绪论 落料焊接；瘁压 图1 1 拼焊板冲压工艺过程示意图 在生产、制造和设计方面，拼焊板的使用有着巨大的优势d 1 ： ( 1 ) 降低车身的重量，从而提高燃料的利用率，使汽车的性能提高，同时降 低汽车尾气的排放，减小对环境的影响。 ( 2 ) 产品的不同零件在成形前已经通过连续的焊接工艺焊接在一起，因而提 高了零件的装配精度。 ( 3 ) 通过在结构件的特定部位有选择性的使用高强、厚材料，从而使材料的 利用率大大提高。通过在落料工序中采用排料技术，将各种各样的钢板 得到合理组合从而大大降低材料工程废料率。 ( 4 ) 提高车辆的结构整体性和安全性，简化车辆的整体结构。以门内板的应 用为例，通过使用激光拼焊技术，在冲压工序前就连接成一件门内板， 再冲压成一件整体件，从而完全消除了使用加强件的必要性。 ( 5 ) 减少模具数量、减少零件装配数量，缩减模具处理和安装过程，从而简 化生产流程。 ( 6 ) 汽车安全性试验显示，车身采用拼焊板，通过厚度与强度的组合，在撞 击的过程中可以吸收更多的能量，从而增强耐撞性能。 2 第1 亭绪论 2 拼焊板的国内外应用现状 ”燃拶螽乏 烈。 从2 0 世纪8 0 年代中j l i | 开始，拼焊板作为新技术在美围、欧洲、f 本得到 r 广泛的，乏注。目前，尤路实验窀还是汽车制造厂的实践经验均i i e 明了拼焊板 可以成功地应用于汽车零部件的制造。l i 】拼焊板生产的汽车零部件已被成功用 r 车身骨架件、外覆盖件、内覆盖件、车门两侧的a 、o 莅柱，车门内板，纵粱， 地板，轮罩，内后挡板，横粱，缓冲器等，如图12 所币。荚圈通用汽车公司、 n 本丰h 汽车公司、瑞典沃尔沃汽车公司等相继在车身件中采用了拼焊板j 置形， 一峰成功实例已有报道1 。1 9 9 5 年，宝马公司开始大规模地使用拼焊扳，使德 国的拼焊扳产量骤升至1 0 0 疗张。通用汽车公司是北美蛀大的拼焊扳用户，已 经成功地将拼焊板戍用于几条汽车生产线底盘上层覆盖件的生产之中，其中包 括b u i c k ，c a d i r , a c 和o l d s m o h f l e 等牟型。欧洲各汽车公司使用拼焊板制造 身 的情况如表一所示。1 9 9 8 年3 月，在n 内瓦汽车展览会上展出的超轻型乍身 ( u l s a b ) ，使用了18 张拼焊板相当r 当前普通车型使用量m 凹倍，与当前普 通叫门中型轿车帽比，乍身重量峰低，2 5 ，抗扭刚度提高r6 3 ，振动特性改 善了3 5 ，并h 增加了弯曲刚度”。 第1 章绪论 表1 欧洲汽车公司使用拼焊板情况 车型名称应用场合 欧宝侧围 宝马一7 系列后轴支架、车门( 1 8 0 7 r a m ) 沃尔沃8 5 0包括梁、前围板等1 1 个冲压件 货车驾驶室前端 奔驰 轿车悬架后横梁、门内板、前立柱和横梁 加强板i ( 1 2 2 1 5 r a m ) 菲亚特 加强板i i ( 1 8 1 2 1 8 n u n ) 2 组件后立柱( 1 5 1 2 m m ) 大众高尔夫带篷运输货车：加强板( 1 2 2 5 m m ) 3 组件 无度锌层的横梁( 2 3 1 5 r a m ) 我国的部分汽车钢铁生产企业也在开始采用拼焊板成形技术1 ，2 0 0 2 年1 0 月，武汉蒂森克虏伯中人激光拼焊有限公司的国内第一条商业激光拼焊板生产 线正式投产，第一块激光拼焊板正式下线，为长安福特配套。2 0 0 3 年2 月，该 公司成为上海大众、上海通用认可的供应商；2 0 0 3 年7 月，正式对上海大众批 量供货。2 0 0 4 年1 1 月，由宝钢股份、宝钢国际、上海大众联合发展公司和世界 规模最大的钢铁巨头阿赛洛公司联合投资组建的上海宝钢阿赛洛激光拼焊公司 正式投产，将为p o l o 、别克、马自达等中高档轿车提供沪产激光拼焊板。此前， 帕萨特、p o l o 、别克、奥迪等高品质车型都已采用激光拼焊板，但并非沪产。 2 0 0 4 年，1 2 月，由宝钢、一汽以及日本住友商事会社共同投资的一汽宝友公司 正式投产，从瑞士引进世界一流水平的激光拼焊板线、开卷剪切线和开卷落料 线。该生产线生产的激光拼焊板完全可以替代进口产品，投产初期年产量可 达，1 0 0 万件以上，产品将首先应用在一汽马自达6 系列等品牌车型上。2 0 0 5 年 4 月，先期投产的上海宝钢阿塞洛激光拼焊公司积极开拓华东市场，加快推进供 上海大众汽车公司和上海通用汽车公司激光拼焊件的国产化认证工作。目前， 上海大众帕萨特8 件激光拼焊零件，除纵梁加强板因材料超厚还在大批量试制 外，其他已全部通过了国产化认证。其中，纵梁i i 、后轮罩加强板从3 月起已 批量向上海大众提供了6 万件激光拼焊板。上海通用君威的激光拼焊件国产化 4 第1 章绪论 认证也在进行中。2 0 0 5 年5 月，蒂森克虏伯鞍钢中瑞( 长春) 激光拼焊板有限 公司( t k a z ) 正式生产。目前，合资公司已经开始为一汽一大众汽车有限公司 等客户供应激光拼焊板，主要应用在奥迪新a 6 、奥迪b 7 、开迪等车型上。 1 3 板料成形数值模拟技术的发展 板料成形数值模拟研究始于6 0 年代n 刭。这些早期的研究采用的不是有限元 法，而是有限差分法，所分析的问题都是像圆板液压胀形，半球形冲头或平底 冲头下胀形和拉延成形这类简单问题。从数值模拟的角度来说，这三个问题分 别代表了模拟的不同难度，液压胀形不包含模具的问题，只是通常的大变形塑 性力学问题；对于冲头胀形必须考虑冲头和板料之间的接触和摩擦，并且接触 区随着冲头的行程变化；对于拉延成形还需考虑板料在凹模与压边圈之间的滑 动。 k o b a y a s h i 在1 9 7 3 年提出刚塑性有限元法以后，他和m e h t a 立即把这一方 法用于分析冲压成形问题，这是人们第一次用有限元方法来模拟冲压成形过程。 h i s e k i 、t m u r o t a 用弹塑性增量型有限元法模拟了d m w o o 在1 9 6 4 年用有限插 分法分析过的液压胀形过程。w i f i 在1 9 7 6 年基于轴对称理论，用弹塑性增量型 有限元分析了圆形坯料在半球凸模下的胀形拉深过程。他忽略了坯料在模具表 面的滑动效应，假设坯料与模具接触后立即粘着在模具表面。显然，这样的接 触和摩擦处理方法不够精确。 1 9 7 7 年，在美国g m 公司召开了一个关于板料冲压成形力学分析的研讨会， 会上有两篇论文是关于冲压成形有限元分析的，分别是由k o b a y a s h i 和 n m w a n g 提交的。k o b a y a s h i 用刚塑性有限元法分析了液压成形问题和半球凸 模拉深问题，并将计算应变值与w o o d m 的计算结果进行了比较。n m w a n g 提出了弹粘塑性有限元法，并用该方法模拟了平底圆凸模和半球凸模下的拉深 过程，研究了粘性、凸模速度对应变分布的影响。这两篇文章均采用了薄膜单 元和库仑摩擦理论，这在当时已经是相当完善。自此，冲压成形数值仿真研究 主要沿着这两篇论文开创的道路发展起来了。 1 9 7 8 年，n m w a n g 和b u d i a n s k y 基于非线性薄膜壳理论，用弹塑性大变形 t l 格式分析了任意几何形状模具的冲压成形问题，首次考虑了坯料在模具表面 滑动和粘着效应的接触摩擦现象。它们还指出不能简单地把分析一般板料成形 第1 章绪论 问题的方法直接应用于分析诸如覆盖件这样复杂零件的冲压成形过程，而必须 考虑复杂零件的成形特点。这有力的推动的有限元法在冲压成形分析中的应用。 8 0 年代初，通用公司的n m w a n g 和福特公司的s c t a n g 等人经过长期探索， 成功的对轿车的行礼箱盖和前翼子板的冲压成形过程进行了模拟，在板料成形 数值模拟的基础上，开创了汽车覆盖件冲压模拟分析的应用研究领域。 十几年来，汽车覆盖件冲压成形模拟分析有了很大的发展，国际上众多的 汽车生产企业都有覆盖件成形模拟分析系统。在汽车覆盖件的开发过程中，拼 焊板成形有限元模拟分析技术可以于以下几个方面找到其用武之地n 3 1 ： ( 1 ) 概念设计及车身设计阶段。在这个阶段，模具结构和加工工艺都未完全 确定，不可能进行深入的模拟分析。对数值模拟分析的要求是有快速的 响应，对边界条件的要求也就比较低。 ( 2 ) 工艺和模具设计阶段。数值模拟对缩短产品开发周期、降低开发成本、 提高产品质量均有着决定性作用。 ( 3 ) 生产试验阶段。在此阶段，要求精确模拟设计结果，研究缺陷的形成和 扩展，进步对工艺参数进行优化。 1 4 拼焊板成形数值模拟中焊缝建模技术的研究现状 目前，有限元模拟中的焊缝建模方法有以下三种：一是考虑焊缝的尺寸和 形状、焊缝和热影响区马氏体含量，细分焊缝附近区域的有限元网格，精确地 建立焊缝的模型，这种方法模拟精度较高但计算效率很低，只适合焊缝局部小 范围模拟；二是忽略焊缝类型，只考虑焊缝位置，焊缝和热影响区由一排梁单 元或壳单元网格来表示，或仅采用刚性连接处理，这种方法计算效率高但精度 相对较低，当焊缝及热影响区的尺寸相对板材很小时，往往采用这种办法；三 是焊缝用实体单元建模，其他部位用壳单元建模，此种方法虽然考虑了焊缝的 几何形状，但是建模繁琐，计算时问较长。 1 4 1 考虑焊缝位置 在l e e 等a t l4 】的研究中，拼焊板模型中忽略了焊缝性采用刚性连接，有限 元模拟结果中预测的应变与物理试验中的应变吻合，但是焊缝开裂预测有所偏 6 第1 章绪论 差。因此，作者建议，“建立详细的焊缝模型有助于精确地预测焊缝开裂。” 在m e i n d e r s 等人1 15 】研究中，分析了筒形件和球形件的深拉延，重点在于研 究拉延过程中的焊缝位移。模拟中忽略了焊缝性能，但考虑了焊缝的位置。母 材采用三节点三角形平面应力膜单元。考虑到板材与模具之间接触，采用了一 种特殊的三节点三角形接触单元进行模拟u ，靠近母材单元的接触单元的内节点 与母材单元节点连接，外侧接触单元的结点投影到工具表面，如图1 3 所示。 作者认为采用此种方法可以体现出拉延过程中的接触和摩擦行为。 c o n t a c te l e m e n t n m ：m b 豫n ce l e m e n t c o n t a c te l e m e n t 图1 3 接触单元相对于母材单元的位置 在模拟中焊缝描述为两侧基材之间简单的边界条件，如图1 4 所示。结果 表明，对于球形件有限元模拟中得到的焊缝位移与真实试验中的不吻合。作者 认为总结，在焊缝区域局部有大变形的深拉延模拟中，应该考虑焊缝性能。 b 够露m 吐豳l1 b a s em - 嘲iz 1 4 2 考虑焊缝性能 图1 4 代表焊缝的边界条件示意图 o c o o i i c i i i t i a 田硼s i d e p l a mn o d e ：m 却h 鹭 o o l l t a l tn o d s o o n l o 啦n o o k ： 在s a u n d e r s 等人【1 6 - 17 】的研究中，进行了l d h 试验和有限元模拟，用来研究 一定成形高度时的焊缝移动量。为了确定激光拼焊板的焊缝应力一应变关系， 7 第1 章绪论 卜- 叫 l l 罐= 图1 5l d h 有限元模拟考虑焊缝性能的拼焊板模型 s a u n d e r s 采用“等应变假设“ 方法来推断拼焊板试件焊缝处金属的材料性质。假 设焊缝处和基体金属的应变相等、焊缝宽度为l m m ，采用基体金属硬化准则确 定其所承受载荷，从而得到焊缝处承受载荷。焊缝处材料遵循v o t e n 8 1 硬化准 则：o r = o s a 。1 1 一a e ) * b s j ! i ，o m t 为饱和应力，a 和b 表示曲线拟和参数。焊缝处 的材料性质即可由拉伸试验得到，符合s w i t t 硬化准则。得到了母材与焊缝处材 料参数后，作者进行了a k d q h s l a ( 1 8 r a m 2 1 m m ) 材料组合的拼焊板不同宽 度的l d h 试验和数值模拟。有限元模拟中，采用了两种拼焊板模型，即考虑焊 缝性能与忽略焊缝性能。考虑焊缝性能的模型，如图1 5 所示，因为坯料形状 对称，为了节约计算成本，采用二分之板料进行模拟，板料中央划分出两排 宽度皆为0 5 m m 的单元作为焊缝模型。 结果表明，对于焊缝移动量的预测，数值模拟与试验吻合度良好，如图l6 所示；在数值模拟中，两种模型对于模拟结果影响细微：焊缝位移的最大差别 只有0 1 5 r a m ，如图1 7 所示。 8 第1 章绪论 d i s t a n c e 矧i o 嘴o r i g i m dw e l d ( r a m ) 图1 6 关于焊缝移动量模拟值与试验值对比 图1 7 关于焊缝移动量两种模型间的模拟值对比 b u s t e 等人蝴3 对横向焊缝拼焊板的球面拱顶高试验建立了有限元模型，采 用动态显式求解器l s d y n a 求解。铝板采用4 节点b t 壳单元，沿厚度方向有 7 个积分点，面内1 个积分点。板料采用各向异性b a r l a t 本构模型。将中面偏置 一定距离来模拟实际拼焊板材料厚度台阶。采用罚函数接触算法来反映拼焊板、 工具、垫片之间的接触和滑动边界条件。在这篇文章中，b u s t e 认为采用壳单元 和刚性连接来处理焊缝的结果差别不大。后者较为简单，节约了很多计算时间， 9 葛巨v口_o厶暑2-co一=ol_i葺毒葛ri 第1 章绪论 而且引入了相邻板料之间的厚度差，从而考虑了通过焊缝处的弯矩的影响，但 忽略了焊缝几何形状和材料本构的影响。 k m z h a o 2 卜2 2 1 等人考虑计算精度和计算效率，对不同的有限元模型进行了比 较分析，建议采用不考虑热影响区的三维壳单元模型对拼焊板成形过程进行模 拟。如果考虑热影响区的影响，虽然可以提高模拟结果的精度，但是对回弹的 影响很小。原因在于焊缝处的高屈服强度和高弹性模量对回弹的作用效果相反。 因此，当热影响区相对于板料足够小时，可以将其忽略。 n a k a g a w a 和1 w a t a 等人舯钔利用有限元法来分析类似于拉伸类翻边的几何 零件。采用的模型考虑了材料的面内各向异性以及压边圈的初始压强分布，从 而准确地预测了不同焊缝位置对失稳模式的影响。在这个模型中，采用实体单 元对工具建模。采用壳单元对板材建模，而对焊缝则采用梁单元建模。对于焊 缝的塑性区，采用硬化后的屈服应力和弹性模量来线性近似。计算时忽略了焊 缝的残余应力。在弹性应变和坯料变形后的形状方面，模拟结果和物理试验结 果吻合良好。由于周向网格划分粗糙，模拟结果低估了周向应变。 在j a i n 等人乜剐的研究中，进行了i p p s 试验模拟，焊缝定位分别为纵向和横 向。对焊缝的几何形状采用了两种简化形式，如图1 8 所示。与忽略焊缝性能 的模型作了比较：从等效塑性应变图上来看，在相同的成形高度时，应变分布 是不同的。其研究结果表明：焊缝性能对拼焊板成形性能具有影响。 t h i n - 7 l dt i c k ( a ) 阶梯型焊缝拼焊板模型 w e l d t h i c k ( b ) 梯型焊缝拼焊板模型 图1 8 考虑焊缝性能的不同拼焊板模型 以上的文献中，研究了数值模拟中不同焊缝处理方法对拼焊板冲压成形模 拟结果的影响。不同学者针对各自所研究的特定的拼焊板零件成形工序( 例如 筒形件及球形件深拉延、l d h 试验、缩放挡泥板成形模拟和i p p s 试验模拟等) l o 第1 章绪论 给出了在数值模拟中采用何种焊缝处理方式的结论，具有一定的指导意义。然 而，在目前的研究中，针对焊缝性能的影响采用何种拼焊板成形方法来研究此 问题未给出一个统一的标准并且对于数值模拟中采用何种焊缝处理方式也没有 一种通用的方法或明确的指导意向，这样不利于数值模拟中快捷而准确的拼焊 板模型的建立。此外，在有些学者的研究中只采用了有限元模拟方法，其得出 的关于焊缝处理方式的建议往往与真实情况有很大的出入，因此，采用拼焊板 成形试验与模拟相结合的研究方法是非常必要的。 1 5 存在的问题分析 已有基础实验研究表明：与传统的单一板相比，由于拼焊板的两边板厚、 材料性能等差异性，以及焊缝的存在，其成形性能较单一板有很大区别，其成 形过程中的开裂与焊缝移动等问题，影响了拼焊板零件的成形能力。研究结果 表明，材料的厚度差差异、焊缝及热影响区的存在等是影响拼焊板总体成形能 力的重要因素。 目前拼焊板数值模拟存在的问题：数值模拟结果表明，焊缝移动对成形性 影响很大，控制焊缝移动可以抑制较薄较弱侧金属的局部塑性变形，增加厚 强侧金属流人凹模中的比例，提高拼焊板的冲压成形性能。但在目前工程应 用中对拼焊板模型中焊缝的处理通常是将焊缝简化成一条线，不考虑焊缝性能 对于拼焊板冲压成形性能数值模拟结果的影响，这与实际情况不符，导致模拟结 果与实际冲压成形中的某些成形参数有较大出入。例如r h w a g o n e r 等人口纠对拼 焊板和单一板进行了半球胀形试验。当主应变方向平行于焊缝时，由相同厚度 和强度的材料焊接得到的激光拼焊板的最大成形高度与单一板相比下降了3 0 ， 并且，当主应变的方向垂直于焊缝时，由相同厚度和强度的材料焊接得到的激 光拼焊板的最大成形高度与单一板相比下降了1 0 ，但在焊缝使用刚性连接的拼 焊板半球胀形模拟中，有限元模拟结果显示，同材等厚拼焊板和单一母材的胀 形成形极限相同，说明使用刚性连接的焊缝模型不能准确地模拟拼焊板胀形的 成形极限。因此，有必要进行拼焊板成形数值模拟中焊缝处理方式的研究，为 指导拼焊板的实际应用提供准确的理论依据。 随着汽车车身覆盖件中大量使用拼焊板，数值模拟方法已被广泛地应用在 拼焊板冲压成形计算机仿真中，促进了拼焊板冲压成形性能的研究。虽然已有 第1 章绪论 不少学者进行了拼焊板不同零件冲压成形中焊缝处理方式的研究，但是已有的 研究结果中，如前1 4 节所述，关于焊缝对于拼焊板成形性能影响的掌握还不 过充分，尤其拼焊板不同变形方式、不同材料组合情况下数值模拟中采用何种 合理且兼顾效率的焊缝处理方式等方面问题的研究做的不够多。因此，开展拼 焊板冲压成形数值模拟中焊缝处理方式以及焊缝性能影响的研究有利于深刻掌 握拼焊板成形性能的影响因素及规律，对于覆盖件以及未来汽车的发展有着重 要的理论和现实意义。 1 6 本文主要研究内容 本项研究主要通过对拼焊板焊缝及热影响区的力学性能进行试验分析，同 时采用数值模拟方法研究不同焊缝处理方式对拼焊板成形模拟结果的影响。通 过以上研究，得出不同变形方式以及不同材料组合情况下数值模拟中合适的焊 缝处理方式，并通过试验验证数值模拟结果的准确性。具体研究内容如下： ( 1 ) 通过对激光拼焊板焊缝组织及成形性能的分析，探索拼焊板冲压成形数 值模拟中焊缝材料参数的设置。 ( 2 ) 通过对拼焊板单向拉伸数值模拟中焊缝处理方式的研究比较，得出此种 变形状态下，合理的焊缝处理方式，为拼焊板单向拉伸变形非均匀性理 论分析打下基础。 ( 3 ) 进行了拼焊板单拉试件变形非均匀性公式推导及验证，为提高焊缝两侧 材料的匹配性以减小拼焊板变形的非均匀性提供了参考依据。 ( 4 ) 通过拼焊板胀形数值模拟中焊缝处理方式的比对分析，得出拼焊板焊缝 两侧不同材料组合下，合理的焊缝处理方式，为指导拼焊板的实际应用 提供准确的理论依据。 ( 5 ) 进行了同材等厚拼焊板成形高度下降分析以及同材差厚拼焊板胀形非均 匀性分析，解释了拼焊板半球胀形数值模拟中不同材料拼焊板组合冲压 成形采用不同焊缝处理方式的原因。 1 2 第2 章板料塑性成形有限元理论 第2 章板料塑性成形有限元理论 2 1 板料弹塑性变形理论基础 弹塑性是最常见、研究得最透彻的材料非线性行为1 。采用屈服面、弹性 势和流动定律得弹塑性力学模型，早在2 0 世纪就已经建立起来，这些理论已经 在金属和泥土塑性领域获得了成功的应用，并已经编成数值计算程序形成数值 分析工具，弹塑性有限元方法已经获得了广泛的应用。 描述超出弹性范围的材料行为的塑性理论由三个重要概念组成： ( 1 ) 屈服准则，它确定一个给定的应力状态是在弹性范围内还是发生了塑 性流动。 ( 2 ) 流动准则，描述塑性应变张量增量与当前应力状态的关系并以此形成 弹塑性本构关系表达式。 ( 3 ) 硬化准则，确定随着变形的发展屈服准则的变化。 在单轴情况下，载荷，和变形u 的曲线可以转换为应力应变图。在小变形 状态下，可以用工程应变和工程应力oe n g ， 譬= ”厶 ( 2 1 ) o e n g = f 鸽 ( 2 2 ) 对于大应变塑性问题，采用对数应变e 和真实应力更为合适。 e = l l l ( 1 + 8 ) ( 2 3 ) o m 。e = f a ( 2 4 ) 在转换过程中，一般假设材料不可压缩，即 ( 2 5 ) 因而 鸽厶= 儿 = ( 1 + ) ( 2 6 ) 第2 章板料塑性成形有限元理论 2 1 1 屈服准则 该准则确定材料产生屈服时的i 晦界应力状态，大量实验表明：多数材料的 塑性屈服于静水压力无关；对于复杂应力状态，由等倾面组成的八面体平面上 的正应力恰好就是静水压力。 在用简单拉伸模拟的单轴均匀应力状态下，容易找到屈服应力o ，在该处 线弹性行为被弹塑性响应代替，对一般多维应力状态，用屈服准则确定应力属 于弹性还是弹塑性范围。实际应用中有多种不同的屈服准则，如v o nm i s e s 屈服 准则、m o b _ r - c o u l o m b 屈服准则、d r u c k e rp r a g e r 准则等，本节只讨论v o nm i s e s 屈服准则。由于静水压力状态对塑性流动没有影响，表明通用屈服准则可表示 为应力张量勘不变量的函数： s u = o j 一专岛 ( 2 7 ) 偏应力张量的三个不变量为； = 瓯= + + = 0 ( 2 8 ) 以= 丢凶s = 丢k 一) 2 + ( 一) 2 + p 。一) 2 】( 2 9 ) ， + 盯二+ 仃：+ 仃二 以= 毛歌品 ( 2 1 0 采用偏应力张量的不变量，排除了球应力状态。 对于单轴应力状态，有： 仃。= 盯 ( 2 1 1 ) o 眄2 a = o 印= 0 = j 1 盯 = = 一三仃 s 9 = s i ，z = s 4 = o 1 4 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 第2 章板料塑性成形有限元理论 第二小夏量变为： 以= 了1 盯2 ( 2 1 6 ) 一般应力状态下的等效应力可以写为： = 厉_ j 墼2 ( 2 类似地，等效塑性应变增量( 假设不可压缩) 可定义为： d 铭= 信d 彤如罗 ( 2 1 8 ) 因为力为零，另外，忽略乃对屈服函数的影响，标准的v o nm i s e s 屈服准 则可以写成如下形式： ，”一q 刮学一q = 。 2 1 2 流动准则 该准则用来确定塑性应变分量在塑性变形时的大小和方向。为提出流动准 则，可采用下列势表达式： g 慨，够，k ) - - 0 ( 2 2 0 ) 其中包括总应力田、总塑性应变彤和硬化参数k 。如果s ，和七保持为常数， 则上式为应力空间的超表面。塑性势的微分可写为： a g - 考即毒蟛嘻旅 仫2 - ， 如果d g o 则发生塑性流动。当彤和k 不变时，中性 加载时，d a i j 将与表面相切；塑性流动时，d a i j 将指向表面的外侧。这也解释为 可能是个增量步中s ，、尼为常数的假设。确定硝与够关系的流动准则，必 1 5 第2 章板料塑性成形有限元理论 须采用增量形式。 d r u c k e r 的材料稳定性假设指明，在引起塑性流动的加载循环中，净功必须 大于零。塑性耗散功是总功中不可逆的部分，可表示为： d e 岁d t y o 0 ( 2 2 3 ) 在塑性流动中需要有： 堕d o ( 2 2 4 ) a v d 仃“ 因此，塑性应变增量可以写为： 蟛“考 方程式( 2 2 5 ) 将塑性应变增量与超应力表面梯度相连， 联流动准则。 2 1 3 硬化准则 ( 2 2 5 ) 即通常所说的关 该准则用来描述屈服面是如何改变的，以确定后续屈服面的新状态。一般 以下几种模型： ( 1 ) 等向硬化( i s o t r o p i e h a r d e n i n g ) 模型，即各向同性硬化模型。 ( 2 ) 随动硬化( k i n e m a t i ch a r d e n i n