（机械制造及其自动化专业论文）双相钢拼焊板温度——成形性——微观组织耦合有限元模型研究.pdf

独创性声明l 燃 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 粉穿 w 降淤p 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括于i j 登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于保密 学位论文作者签名： 年月同 指导教师签名： 加，年月夕同 江苏大学硕士学位论文 摘要 双相钢和拼焊板技术的结合对减轻汽车重量、提高汽车安全性、降低汽车制 造成本以及改善车身结构的整体性能起到重要的作用，但由于双相钢自身的高强 度和焊缝的存在，双相钢拼焊板常温下成形比较困难。温塑性成形技术可以解决 这一难题，在温塑性成形工艺中，“温度、“成形性 以及材料的“微观组织 之间存在着复杂的关系。 本文以b 3 4 0 5 9 0 d p 双相钢激光拼焊板为研究对象，建立温度一成形性一微观 组织耦合有限元模型。研究温成形中拼焊板“温度、“成形性 以及材料“微 观组织 之间的关系。同一般的热力耦合有限元模型相比，它不但能够预测不同 温度下成形过程中拼焊板宏观的应力应变、成形极限深度等情况，还能够对成形 后产品的微观组织特征进行预测，为温塑性成形技术的开发和应用提供理论和实 验方面的依据。具体研究内容如下： 1 ) 根据温拉伸实验得到的流变应力曲线以及本课题组前期研究所得到的拼 焊板动态再结晶数学模型，通过对a b a q u s 有限元软件进行后处理二次开发，建 立拼焊板温度一成形性一微观组织耦合有限元模型，得到单向拉伸实验试样的热 力状态的模拟结果以及动态再结晶体积分数的分布情况。通过与宏观流变应力情 况以及微观组织金相观察的分析比较验证所建有限元模型的可靠性。 2 ) 应用建立的耦合有限元模型对拼焊板盒形件等温成形进行有限元模拟， 首先对2 0 0 5 0 0 的等温成形进行有限元分析，预测了板材在不同温度下的成形 极限深度，动态再结晶体积分数的分布。然后将预测结果与冲压实验以及金相组 织观察实验对比，发现一致性较好，进一步证明了本模型的可靠性以及实用性。 3 ) 利用耦合有限元模型对拼焊板盒形件差温成形工艺进行预测，分析了差 温成形时温度场( 温度) 、厚度分布( 成形性) 以及动态再结晶( 微观组织) 的分布情 况，进一步体现了耦合有限元模型的内涵和应用价值。 关键词：双相钢，拼焊板，温成形，动态再结晶，耦合有限元模型 双相钢拼焊板温度成形性一微观组织耦合有限元模型研究 l l 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t o w i n g t ot h ea d v a n t a g e ss u c h 鹤r e d u c i n g b o d yw e i g h t ，e n h a n c i n gv e h i c l es a f e t y , c u t t i n gd o w nt h ef a b r i c a t i n gc o s ta n di m p r o v i n gt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fb o d y s t r u c t u r e ，d u a l - p h a s es t e e l st a i l o rw e l d e db l a n k s ( t w b s ) t e c h n i q u eh a sb e c o m et h e m a i n s t r e a mm e a s u r et of a b r i c a t el i g h t w e i g h tv e h i c l e h o w e v e r , d u et oh i g hs t r e n g t h a n dw e l d ，t h ef o r m i n go fd p t i c v b $ i sd i f f i c u l ta tn o r m a lt e m p e r a t u r e a san e w p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y , w a r mp l a s t i cf o r m i n gc a l lh e l pt os o l v et h i sp r o b l e m i nt h e w a r mf o r m i n gp r o c e s s ，t h e r ea r ec o m p l e xr e l a t i o n s h i pb e t w e e n ”t e m p e r a t u r e ”、” f o r m a b i l i t y ”a n d m i c r o s t r u c t u r e ” i nt h i sp a p e r , t e m p e r a t u r e f o r m a b i l i t y m i c r o s t r u c t u r ec o u p l e df i n i t ee l e m e n t m o d e lf o rd u a l - p h a s ea e e l st a i l o r - w e l d e db l a n k sw i l lb ee s t a b l i s h e da n da p p l i e d n o t m u c hl i k et h et h e r m a l - m e c h a n i c a l l yc o u p l e df i n i t ee l e m e n tm o d e l s ，t h i sk i n do f m o d e li sn o to n l ya b l et op r e d i c tt h em a c r o s c o p i cs t r e s sa n ds t r a i nd u r i n gt h e f o r m i n g p r o c e s sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n df o r m i n gl i m i td e p t h , e t c ，b u ta l s ob ea b l et o p r e d i c tt h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o no ft h ep r o d u c t a l lo ft h i si st r y i n gt op r o v i d e s o m ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h ew a r l t lf o r m i n gt e c h n o l o g yo f d p - t w b s d e t a i l e dc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s 1 ) w i t ht h ef l o wc u r v e so fb l a n k sg a i n e db yt h ew a r l nt e n s i l et e s ta n dt h em o d e l o fd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ，t h ec o u p l e df i n i t ee l e m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e db yt h e m e a n so fs e c o n d a r y - d e v e l o pa b a q u ss o f t w a r e t h e r m o d y n a m i c ss t a t ea n dd y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o nv o l u m ef r a c t i o nd i s t r i b u t i o no ft h es p e c i m e nw a sg a i n e d w i t ht h e m a c r o s c o p i cf l o ws t r e s sa n a l y s i sa sw e l la sm e t a l l o g r a p h i co b s e r v a t i o n ，t h er e l i a b i l i t y o ft h em o d e lw a sv e r i f i e d 2 ) a p p l i e dt h ec o u p l e df i n i t ee l e m e n tm o d e lt oi s o t h e r m a lf o r m i n go f b o xt y p e p a r t sp r o c e s sw h i c ht e m p e r a t u r er a n g e2 0 0 , - 5 0 0 ( 2 ，a n dt h ef o r m i n gl i m i td e p t ha n d d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nf r a c t i o nd i s t r i b u t i o nw a so b t a i n e d t h er e s u l t so ff i n i t e d e m e n ta n de x p e r i m e n tf o u n dg o o da g r e e m e n tw h i c hi st h ef u r t h e re v i d e n c eo ft h e r e l i a b i l i t ya n du s e f u l n e s so ft h em o d e l 3 ) f i n i t ed e m e n tm o d e lw a su s e dt op r e d i c td i f f e r e n t i a lt e m p e r a t u r ed r a w i n g 双相钢拼焊板温度一成形性一微观组织耦合有限元模型研究 p r o c e s s a n a l y s i s t h et h e r m a l g r a d i e n t ( t a t l p e r a t u r e ) ，t h i c k n e s s d i s t r i b u t i o n ( f o r m a b i l i t y ) ，a n dd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nd i s t r i b u t i o n ( m i c r o s t r u c t u r e ) o ft h eb o x ， r e f l e c t e dt h ev a l u ea n dm e a n i n go ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l k e yw o r d s ：d u a l - p h a s es t e e l s ，t a i l o r - w e l d e db l a n k s ，w a r mf o r m i n g , d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ，c o u p l e df m i t ee l e m e n tm o d e l 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1引言1 1 2 研究现状及主要问题j 2 1 2 1 温成形热力耦合模拟2 1 2 2 金属微观组织演变模拟3 1 2 3 目前研究还存在的问题5 ，1 3本文研究的内容及研究流程6 1 3 1 本文的主要研究内容j 6 ；1 3 2 本文的研究流程7 第二章热力耦合有限元及a b a q u s 二次开发理论基础9 。 2 1 引言：一9 2 2 热力耦合有限元分析的基本原理以及方法9 2 2 1 热传导问题的基本原理9 ：。 2 2 2 板料温成形过程中的热力耦合分析技术：1 4 囊：2 3a b a q u s 二次开发的基本原理1 5 。一 2 3 1a b a q u s 二次开发简介1 5 。 2 3 2a b a q u s 后处理二次开发实现的关键技术1 6 2 4 热力耦合模拟以及后处理二次开发应用举例1 7 2 4 1 动态再结晶力学模型：。1 7 2 4 2 热力耦合模拟1 8 2 4 3 二次开发程序编制1 9 2 4 4 模拟结果2 0 2 5 本章小结2 0 第三章温度一成形性一微观组织耦合有限元模型的建立2 1 3 1 引言2 1 3 2 双相钢拼焊板基本力学性能2 1 3 2 1 母材和纵向焊缝拼焊板应力应变曲线2 l 3 2 2 拼焊板焊接区应力应变曲线。2 3 3 3 温度一组织一成形性耦合有限元模型的建立2 4 3 3 1 拼焊板单向拉伸有限元模型2 5 3 3 2 拼焊板单向拉伸模拟结果2 7 v 双相钢拼焊板温度一成形性一微观组织耦合有限元模型研究 3 3 3 拼焊板动态再结晶数学模型。2 8 3 3 4 拼焊板动态再结晶模拟的结果分析。2 9 3 4 拼焊板动态再结晶模拟结果的验证。31 3 4 1 宏观流变应力分析：3 1 3 4 2 微观组织观察分析3 2 3 5 本章小结：3 5 第四章温度一成形性一微观组织耦合有限元模型的应用3 7 4 1 引言一：- 3 7 4 2 盒形件拉深耦合有限元模型的建立3 7 4 2 1 几何模型的建立3 7 4 2 2 材料模型的建立：3 8 4 2 3 接触对的定义3 8 4 2 4 载荷与约束的定义3 8 4 2 5 网格的划分j 3 8 4 2 6 动态再结晶数学模型的变形0 3 9 4 3 等温拉深耦合有限元模拟结果与分析4 0 4 3 1 成形极限深度的预测4 0 4 3 2 成形实验验证k 4 0 4 3 - 3 动态再结晶体积分数的预测4 3 4 3 4 金相组织观察验证4 6 4 4 差温拉深的耦合有限元预测4 9 4 4 1 温度场的分布规律4 9 4 4 2 厚度的分布规律j j 5 0 4 4 3 动态再结晶的分布规律5 1 4 5 本章小结。5 2 第五章结论与展望 5 1 结论5 5 5 2 展望5 6 参考文献 致谢 攻读硕士学位期间承担科研情况及主要成果 v i 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 现代汽车工业发展的三大主要方向是：提高燃油效率，减少汽车尾气排放和 提高汽车安全性。应用高强度材料是能同时提高汽车燃油效率、减少废气排放并 提高汽车安全性的有效措施。据相关文献介绍，汽车质量每减少5 0 k g ，每升燃油 行驶的距离增加2 k m ，质量每减轻1 可以减少1 的污染并且燃油消耗下降 0 6 - - 1 o 【l 】。高强度钢板( h i g hs t r e n g t hs t e e ls h e e t ) 如双相钢和激光拼焊板( l a s e r t a i l o r - w e l d e db l a n k s ) 正是这样的新型材料，现被越来越多的应用于实际生产【2 3 】。 双相钢属于相变强化钢，其组织成份主要是在铁素体基体上弥散分布一定量 的马氏体。它具有屈强比低、无屈服延伸、应变强化指数高和良好的抗碰撞性能 等特点，已发展成为一种汽车用高强度新型冲压用钢【4 。7 】。采用高强度钢板制造冲 压件可有效提高外覆盖件的承载能力和抗凹陷能力，在与普通钢板相同的强度下， 车身零件厚度可减薄1 5 以上。 “： 拼焊板( t a i l o rw e l d e db l a n k s ，t w b s ) 是指将两块或两块以上的平板料焊接在 一起进行冲压的板材。这些板料可以具有相同或不同的厚度。机械性能和电镀类 型【3 1 。拼焊板冲压成形同时克服了传统分离成形方法和整体成形方法的缺点，具有 经济、减轻车重、安全、美观等多种优势。目前采用最多的是激光焊接而成的激 光拼焊板。 双相钢激光拼焊板兼有双向钢板与激光拼焊板技术的优点，但是随着钢材强 度的提高，其延伸率下降、在常温下成形性能也大大降低，易产生破裂、起皱等 问题。近年来，温塑性成形方法逐步被运用到双相钢激光拼焊板成形中以提高其 成形性能。激光拼焊板在温成形条件下成形可以改变板料微观组织结构，降低焊 缝和热影响区的硬度，减少焊接头氧化物夹杂引起的裂纹，进而提高成形性能【引。 运用有限元模拟技术可以在计算机上实现双相钢拼焊板的温成形过程，以揭 示双相钢激光拼焊板的温成形规律和研究各种因素对其成形过程的作用和影响， 进而掌握成形温度、温度场分布对材料成形规律的影响。因此，建立双相钢激光 拼焊板温成形热力耦合有限元模型不仅能够深化对双相钢激光拼焊板温成形规律 的认识，还能为双相钢激光拼焊板温成形工艺及模具设计的优化提供依据。 然而仅仅对于板料成形进行宏观模拟是不够的，对于温热成形，往往伴随着 双相钢拼焊板温度一成形性一微观组织耦合有限元模型研究 材料微观组织的变化，微观组织的变化直接影响并决定着产品的使用性能和质量 特征，因此对模拟技术提出了新的要求。这就要求能够建立温度一成形性微观 组织耦合有限元模型。和热力耦合有限元模型相比，它不但能够预测不同温度下， 成形过程中宏观的应力应变，成形极限深度等情况，还能够对成形后产品的微观 组织特征进行预测。 1 2 研究现状及主要问题 1 2 1 温成形热力耦合模拟 国外，日本学者y o s h i h a r a 9 等人，对差温拉延工艺进行了研究，结果证明通 过冷却冲头降低凹模圆角和侧壁的温度，可以获得更高的极限拉深比。京都大学 的t a k u d a 【1o 】通过温单拉实验获得各个温度下的材料性能参数，又利用二维刚塑性 热传导有限元模型预测了铝合金拉延性和失效特性，并获得成功。发现在常温和 等温条件下，筒形件破裂位置在凸模圆角，凹模圆角半径对其破裂位置影响不大； 差温成形条件下，破裂位置出现在凹模圆角，凹模圆角半径影响破裂位置的结论。 美国密歇根大学的k i m ! 】等人，建立了一个铝合金筒形件温拉深解析模型， 还对等温和差温条件下的筒形件拉深进行有限元分析，提供了铝合金在等温条件 下和差温条件下的极限拉深比和工艺参数之间的关系。得出了当凸凹模之间形成 大的温度梯度时可以得到很好的成形性能，以及等温条件下筒形件拉深最早破裂 位置出现在凸模圆角，而差温条件下破裂位置最早出现在凹模圆角等结论。 p a l a n i s w a m y 1 2 】建立了二维和三维的有限元模型来对镁合金零件的差温拉延 工艺进行研究。他们对筒形件建立二维模型，将各个温度下数值模拟的减薄率进 行对比，发现在2 0 0 时成形的效果最佳。通过模拟，他们还分析了拉深深度在 3 0 m m 、7 0 m m 、10 0 m m 时筒形件温度场分布；此外对盒形件建立一个三维模型， 同样分析了不同拉深深度下的温度场分布，并通过与实验的比较验证其模拟结果 的准确性。 国内，苌群峰【1 3 】等人通过热模拟实验机对镁合金板进行热拉伸实验，获得不 同温度下的材料力学性能。通过建立带有温度自由度的壳单元模型，研究了镁合 金筒形件冲压过程中板料温度场的变化，还在此基础上对镁合金板料差温拉延工 艺进行了分析，结果表明：差温拉延工艺可以显著提高镁合金板材的温热成形性 能；研究中所采用热力耦合技术的数值模拟也能正确反映a z 3 1 镁合金板材的温度 2 江苏大学硕士学位论文 敏感特性。 咸奎峰【1 4 】等人对镁合金笔记本电脑外壳件温成形工艺进行了模拟，获得a z 3 1 镁合金具有较好成形性能的工艺参数：变形区的温度控制在2 2 0 。c - 2 7 0 c 之间， 凸模温度控制在1 5 0 ( 2 2 0 0 之间。 上海交大的于忠奇【1 5 】等人建立一个二维的铝合金筒形件拉深模型，利用实验 设计方法，分析温度场布置对温拉深能力的影响，提出了拉深件破裂失效形式。 他们发现：凸模底部和凹模法兰的温度决定着铝合金板拉深能力；拉深件的破裂 失效既可能出现在凸模圆角区也可能出现在凹模圆角区附近。他们的研究再一次 证明了差温拉深中温度布置对发挥板料成形能力十分重要。 综上所述，在塑性成形过程中发生的温度场变化，不仅对变形过程本身产生 作用，而且在很大程度上直接决定了产品的宏观力学性能；而成形中变形能量的 释放反过来也会影响到温度场的分布，因此可以说金属板料的温成形中，材料的 塑性变形、温度变化之间有着复杂的相互影响。故此，借助于有限元技术模拟预 测金属的温成形过程，对于掌握板料的温成形规律，优化工艺参数，提高产品质 量及性能，促进先进塑性加工技术的发展具有十分重要的意义。 1 2 2 金属微观组织演变模拟 目前，应用于微观组织模拟方法已经有了较大的发展，根据材料尺度的不同， 采取的模拟方法也不尽相同。所谓的模拟尺度大致分为四个层次：宏观尺度、介 观尺度、微观尺度和纳观尺度【1 6 1 。具体的模拟尺度和与其相对应的模拟方法见表 1 1 所示。 表1 1 具体的模拟尺度和适用的模拟方法 t i a b1 】s c a l ea n ds u i t a b l em e t h o d sf o rm i e r o s t r u c t u r es i m u l a t i o n 层次空间尺寸范围系统缺陷及其运动过程常用模拟方法 纳观原子层次晶格缺陷结构 微观需扩散、析鬣位错分布、 介观晶粒尺寸层次 回复、再謦髫长大相 宏观宏观层次尺寸宏观尺度力学、温度场求解 分子动力学 蒙特卡罗法、场相法，位错动力学 元胞自动机、几何分组模型、顶点拓扑网络模型、 结合微观组织演变模型方法 有限元、有限元差分法，边界元法 上述划分中各层次之间互有交叠，并非严格定义。在实际研究中所指的“微 观组织一般特指微观到介观层次的各种指标系统。 3 双相钢拼焊板温度成形性一微观组织耦合有限元模型研究 从上个世纪6 0 年代开始，国内外的学者就对钢在热塑性变形中微观组织的变 化开展了大量的研究。主要集中在动态回复及再结晶，静态回复及再结晶的微观 机理上，并逐步实现了对这些过程的定量数学描述。随后由于计算机技术的飞速 发展，微观组织演化模拟也随之由最简单的解析阶段发展到了有限元数值模拟阶 段。目前模拟的对象主要集中在成形过程中的再结晶和晶粒长大。采用的模拟方 法主要有蒙特卡罗方法、元胞自动机方法、结合微观组织演变模型的有限单元法 和几何拓扑模型等方法。 蒙特卡洛( m o n t ec a r 0 1 ) 方法又被称为计算机随机模拟方法，它以自由能最小 原理为基础模拟晶粒形核、生长过程，定量考察界面能和体积能的影响，可以模 拟晶粒长大的动力学过程以及材料微观组织拓扑学的变化等【r 7 1 。此方法将金属的 微观结构看成是离散的单元，每个单元被认为具有一定的能量，还被赋予一定范 围内的整数以代表该单元的晶粒取向。运算的时候，每个单元都尝试和临近单元 转变成一致的取向，如果这时能量降低了则接受这种转变，否则不接受。a n d e r s o n 等人【1 8 】认为结晶过程中形核是随机的，满足长大条件的晶核继续长大，不符合长 大条件的晶核消失。但是这种方法也存在一定的不足，例如在处理动态再结晶时， 虽然考虑了时间变化对组织演化的影响，但不能考虑变形对组织演化的影响。 元胞自动机( c e l l u l a ra u t o m a t o n ) 方法来源于生物体发育中细胞自我复制的原 理。它直接考察体系的局域交互作用，借助于计算机模拟这些作用所导致的总体 行为，并得到相应的变化。故此，适合于对动态复杂体系的计算机模拟，被应用 于许多实际问题中，如晶粒形核、晶粒长大和动态再结晶等组织演变 1 9 - 2 1 】。每个 元胞具有再结晶或未再结晶两种状态，在每个时间步中的再结晶分数可以根据再 结晶状态的元胞数与总的元胞数之比求群2 2 之4 1 。m a r x 等【2 5 】采用该方法，以变形时 位错密度增加引起体积自由能改变作为再结晶形核和晶核生长的物理基础，模拟 了再结晶分数、尺寸和织构的演变过程。国内，东北大学在应用c a 法模拟材料微 观结构演化方面也取得一定进展【2 6 】。但元胞自动机方法中模型的形核规律是人为 给定的，形核位置和实际变形量、应变速率等参数没有内在联系，晶粒长大速度 和长大时的碰撞取决于对规则的假设，所以该方法仍存在诸多人为因素2 7 1 。 在热成形工艺的数值模拟中结合微观组织演变模型的有限元法是应用较为成 熟的数值计算方法之一。热成形过程微观组织演变的数学模型主要包括：动态再 4 江苏大学硕士学位论文 结晶模型、静态再结晶模型和晶粒长大模型。温度、应变和应变速率往往作为模 型计算的参数。对于不同的材料，采用不同的模型进行计算，模拟时一般都是将 微观组织模型和热力耦合有限元模型相结合，通过有限元计算得到温度场、应变 场和应变速率场的分布，再由微观组织模型得到晶粒演变过程的预报结果【2 8 1 。 目前国外针对材料微观组织进行控制研究的主要是从事轧钢领域研究的学者 们。s e l l a r 和w h i t e m a n 首先提出了碳钢热轧过程中的微观结构演变模型【2 9 1 ，y a d a 和s e n u m a 提出了一种经验公式分析含m n 量小于1 碳钢的微观组织演型3 0 】；k o p p 等【3 1 】建立了低碳钢二维镦粗过程中晶粒尺寸与再结晶体积百分比的经验公式； s h e n 掣3 2 】对高温合金w a s p a l o y 的二维镦粗过程进行了数值模拟，并预测了锻后饼 坯中的晶粒尺寸与再结晶体积百分比；s a t i o 3 3 】在化学热力学和经典形核与核长大 理论的基础上建立了结构钢的组织演变模型；m e d e i r o s 等【3 4 】针对镍基高温合金建 立了组织演变模型，用以预测i n 7 1 8 合金的晶粒尺寸。s r o l o v i t z ”】用二维m o n t e c a r l o 方法模拟了再结晶均匀形核和长大；s o n g 等【3 6 】进行了单相材料正常晶粒长大 过程的三维m o n t ec a r l o 模拟，获得了晶粒长大动力学和拓扑学的全面信息，再现： 。 ： 了晶粒长大的过程。 j 、 国内，李宏伟【3 7 】进行用户材料子程序二次开发，对环件冷辗扩成形进行三维 有限元模拟；刘君【3 8 】利用其课题组自行开发的软件d h t m e c a 对g h 4 1 6 9 合金涡 轮盘在液压机上锻造过程进行了变形传热一组织演化耦合分析；欧新剖3 9 】还对金属 。环件热辗扩变形进行了三维热力耦合有限元分析；熊爱民【4 0 1 对钛合金锻造过程建 立了变形一传热微观组织演化的耦合有限元模型。李平和庄茁【4 l 】等人对板带钢热连 轧工艺进行了微观组织非线性的三维有限元模拟。李淼泉和李萍等【4 2 - 4 7 】建立了钛 合金组织演化的模糊数学模型( f s ) 和人工神经网络模型，预测了热变形后的等效晶 粒尺寸、再结晶体积百分数、晶粒轴比和相的体积分数等，并与f e m 相结合实现 了钛合金在高温变形过程中组织演变的数值计算。 1 2 3 目前研究还存在的问题 对于国内外的研究现状，针对拼焊板温成形的研究还存在如下问题：目前研 究多是以优化锻造和轧制工艺为目的，研究的对象成形时受力较为简单，主要以 压缩变形为主，受压应力。而材料在拉深工艺中变形复杂，材料的塑性变形在空 间上不均匀，在变形的时间上不连续。对于之前学者们建立的在恒定应变速率下 双相钢拼焊板温度成形性一微观组织耦合有限元模型研究 的数学模型能否适用，需要哪些改进，还少有相关的研究成果；现有的温成形热 力耦合分析以及微观组织模拟技术只针对普通板料，需要将拼焊板有限元模拟技 术、温成形热力耦合分析以及微观组织有限元模拟技术相结合，建立双相钢拼焊 板温成形温度一成形性微观组织耦合有限元分析模型，并探讨具体拼焊板零件 的温成形热、力、微观组织的规律。 1 3 本文研究的内容及研究流程 1 3 1 本文的主要研究内容 j 研究表明，双相钢激光拼焊板的微观组织随着温度的升高而改变，成形性能 随之得到改善。同时，温成形也降低了焊缝和热影响区的硬度，减少焊接头氧化 物夹杂引起的裂纹；进而提高拼焊板成形性能。然而，现有研究提供的有关双相 钢激光拼焊板温成形车身覆盖件零件的一些材料性能和工艺知识，远远不能满足 实际需要，板料微观组织、温度效应对成形性能的影响规律，还没有得到足够了 解和掌握，双相钢激光拼焊板温成形复杂形状零件仍然存在许多难点【4 8 】。 本文通过单向拉伸实验得到的流变应力曲线建立适合于拼焊板温成形的“温 度一成形性一微观组织耦合有限元模型 。再将所建立的模型应用到盒形件拉深 模拟中，通过与冲压实验的对比验证所建立的耦合有限元模型的准确性。各章节 所涉及的具体研究内容如下： 1 ) 介绍温成形有限元模拟的研究现状，包括温成形的热力耦合有限元模拟以 及微观组织演变模拟。在此基础上提出了本文的研究内容以及技术路线。 2 ) 系统的阐述本文进行研究的理论基础，包含热传导问题的基本原理、热力 耦合分析技术以及a b a q u s 二次开发的基本原理和程序编制的方法。并以一个简 单的锻造模拟为例，将基本原理和方法应用其中。为后文建立温度一成形性微 观组织耦合有限元模型做准备。 3 ) 根据温拉伸实验得到的流变应力曲线以及前期研究所得到的拼焊板动态再 结晶数学模型，以对a b a q u s 软件进行后处理二次开发为手段，建立了拼焊板温 度一成形性微观组织耦合有限元模型，得到了单向拉伸实验试样的热力状态的 模拟结果以及动态再结晶体积分数的分布情况。通过与宏观流变应力情况以及微 观组织金相观察的分析比较验证所建立模型的准确性。 4 ) 应用建立的耦合有限元模型对盒形件等温成形进行有限元模拟，首先对 6 江苏大学硕士学位论文 2 0 0 - 5 0 0 4 c 的等温成形进行有限元分析，预测了板材在不同温度下的成形极限深 度，动态再结晶体积分数的分布。预测结果与冲压实验以及金相组织观察实验对 比发现一致性较好，证明了本模型的可靠性以及实用性。然后利用耦合有限元模 型对盒形件差温成形进行预测，分析了差温成形时温度场( 温度) 、厚度分布( 成形 性) 以及动态再结晶情况( 微观组织) 的分布。 5 ) 总结本文研究成果并对未来工作提出展望。 1 3 2 本文的研究流程 第一章绪论 论述研究背景、意义、现状以及存在问题，提出 本文研究内容 第二章热力耦合有限元及a b a q u s 二次开发理论基础 阐述了变形传热耦合分析技术中的关键理论及a b a q u s 二次开发 理论基础，为基于温度效应的双相钢拼焊板微观细织及成形性能有限 元仿真研究提供理论基础 。 第三章温度一成形性一微观组织耦 合有限元模型的建立 基于温拉伸实验和动态再结晶 体积分数模型，建立可以预测不同温 度下拼焊板成形性能以及微观组织 演变的耦合有限元模型。 第四章温度一成形性一微观组织耦 合有限元模型的应用 应用前文的耦合有限元模型在盒 形件温成形上，对不同温度等温成形 进行预测，并通过实验进行验证还 对差温成形工艺进行了相关预测 第五章结论与展望 图1 1 本文研究思路及流程 f i g 1 1t h ec o n t e n ta n dp r o c e s si nt h i sp a p e r 7 双相钢拼焊板温度一成形性一微观组织耦合有限元模型研究 8 江苏大学硕士学位论文 第二章热力耦合有限元及a b a q u s 二次开发理论基础 2 1 引言 双相钢激光拼焊板在温成形过程中，温度对材料的变形行为影响很大，塑性 变形与传热交织在一起相互影响，因而将塑性变形问题和传热问题进行热力耦合 分析显得十分重要。结合拼焊板模拟和热力耦合分析技术，可以实现双相钢拼焊 板温成形过程的有限元分析，为探讨双相钢激光拼焊板温成形规律提供了一种非 常有效的方法。 对于微观组织的模拟，目前国内外采用的微观组织演变模拟方法主要有蒙特 卡罗方法、元胞自动机方法、几何拓扑模型、结合微观组织演变模型的有限单元 法等。本文将采用“结合微观组织演变模型 的方法，根据前期研究提出的适合 于拼焊板温成形的动态再结晶体积分数模型，对a b a q u s 模拟得到的热力耦合结 果进行运算，采用二次开发的方法得到动态再结晶体积分数的分布。因此本章将 重点介绍热力耦合有限元技术以及a b a q u s 二次开发理论的基本原理，为后文有 限元模型的建立和应用做铺垫。 2 2 热力耦合有限元分析的基本原理以及方法 2 2 1 热传导问题的基本原理 金属的塑性变形过程始终伴随着热量的传导和产生，这是因为：1 金属塑性 变形过程中，塑性变形功绝大部分转变成热能。2 变形体与模具和环境之间存在 温度差，使得变形体在塑性变形的同时，将以各种形式与模具及周围环境进行热 交换。塑性变形过程中的传热问题属于含有内热源的非稳态热传导问题。在一般 的三维问题中，导热各向同性材料变形体的瞬态温度场的场变量t 似y ，z ，f ) 在直角 坐标系中应满足的微分方程是： 胪警一丢( 吒罢) 一昙( 砖爹) 一_ 蚀ol h ：o 钯蚪厂触= 。c 在q 内，c 2 m 边界条件是 矽= 矽 ( 在r 。边界上) ( 2 - 2 ) 包罢心+ 砖爹嘭+ 乞警= g ( 在r ：边界上) ( 2 3 ) 9 双相钢拼焊板温度一成形性一微观组织耦合有限元模型研究 颤罢以+ 砖髻b + 吃警他= j l l ( 吮一矽) ( 在r ，边界上) ( 2 4 ) 式中，p 是材料密度( 1 【咖3 ) ；c 是材料比热容( j ( 1 ( g k ) ) ；f 是时间( s ) ；屯，后，色 是材料沿物体3 个主方向( x ，y ，z 方向) 的导热系数m k ) ) ；q = o ( x ，y ，z ，t ) 是 物体内部的热源密度 傀曲；以，b ，吃是边界外法线的方向余弦；矽= 歹( r ，f ) 是 在r ，边界上的给定温度；g = g ( r ，t ) 是在r ：边界上的给定热流密度( w m 2 ) ；h 是 对流换热系数叫。k ) ；九= 吮( f , t ) ，对于r ，边界，在自然对流条件下，疙是 外界环境温度；在强迫对流条件下，吮是边界层的绝热避温度。 微分方程( 2 - 1 ) 是热量平衡方程。式中第一项是微体升温需要的热量；第2 ，3 ， 4 项是由x ，y 和z 方向传入微体的热量；最后一项是微体内热源产生的热量。微 分方程表明：微体升温所需要的热量应与传入微体的热量以及微体内热源产生的 热量相平衡。 ，0 ( 2 2 ) x - 恻er 。边界上给定温度万( r ，t ) ，称为第一类边界条件，它是强制边界 条件。( 2 3 ) 式是在r ：边界上给定热流量g ( r ，t ) ，称为第二类边界条件，当q = o 时 就是绝热边界条件。( 2 - 4 ) 式是在f ，边界上给定对流换热的条件，称为第三类边界 条件。第二、三类边界条件是自然边界条件。r i + r ：+ r 3 = r ，r 是域q 的全部 边界。 。 当在一个方向上，例如z 方向温度变化为零时，方程( 2 1 ) 就退化为二维问题 的热传导微分方程： 胪詈一豪( 吒警) 一昙( 砖考) 一鲤= 。c 在q 内， q q 这时场变量( x ，y ，f ) 不再是z 的函数，场变量应满足的边界条件是 = 歹( r ，t ) ( 在1 1 。边界上)( 2 - 6 ) 吒鬈以+ 砖等哆= g ( r ，f ) ( 在r ：边界上) ( 2 - 7 ) 江苏大学硕士学位论文 t 罢吃+ 砖箬勺= l l ( 唬一) ( 在r ，边界上) ( 2 8 ) 对于轴对称问题，在柱坐标中场函数矽( r ，z ，f ) 应满足的微分方程是 缈詈一导( 即警) 一昙( 恕，警) 一加= 。c 在q 内， q 柳 边界条件是 痧= 歹( r ，t ) ( 在r 边界上) ( 2 一l o ) 砖型o r 佛+ 恕警吃= 加) 龟r ：边界上) ( 2 - 1 1 ) 砖掣佛+ 恕掣吃：五( 统一)( 在r ，边界上) ( 2 - 1 2 ) o r彩 在( 2 5 ) ( 2 - 10 ) 式中，各项符号意义与( 2 1 ) ( 2 4 ) 式中的相同。 求解瞬态温度场问题是求解在初始条件下，即在 0 ( x ，y ，z ，o ) = 丸( 石，y ，z ) ( 2 - 1 3 ) 条件下满足瞬态热传导方程及边界条件的场函数，矽应是坐标和时间的函数。 如果边界上的歹，g ，疙及内部的q 不随时间变化，则经过一定时间的热交 换后，物体内各温度也将不随时间而变化，即 譬：0 ( 2 1 4 ) 一、 、 这时瞬态热传导方程就退化为稳态热传导方程了。由( 2 1 ) 式，考虑( 2 1 2 ) 式的情 况，得到三维问题的稳态热传导方程，即 丢( 吃罢) + 号一考) + 昙( 吃警) + 艘= 。c 在q m c 2 彤， 由( 2 5 ) 式可得二维问题的稳态热传导方程，即 去( 也罢) + 导( 砖考) + 艘= 。c 在q 内， c 2 舶， 由( 2 9 ) 式可得到轴对称问题的稳态热传导方程，即 导( 砖r 詈) + 鲁( 也，警) + q = 。c 在q 内， c 2 川， 求解稳杰漏摩场的问颢就县求解满足稳杰热传导方棵及沩界条件的场变量 双相钢拼焊板温度成形性一微观组织耦合有限元模型研究 痧，矽只是坐标的函数，与时间无关。 本文热力耦合模拟中所研究的是瞬态热传导，以下讨论的是瞬态热传导有限 元的一般格式。 瞬态温度场与稳态温度场的主要差别是瞬态温度场的场函数温度不仅是空 间域q 的函数，而且还是时间域t 的函数。 首先建立三维瞬态热传导问题的微分方程( 2 1 ) 式和边界条件( 2 2 ) ，( 2 3 ) 和 ( 2 - 4 ) 式的等效积分形式，即 l 缈 警一旦o x r k , 颤警) 一昙一爹) 一昙( 吃警) 一艘 q + q ( 一歹) 订+ 工：哆( 吃罢吃+ 砖考b + 镌警他一g ) 订+ ( 2 郴) f ，鸭 t 差+ 砖芳嘭+ 恕老吃一办