（机械工程专业论文）拼焊板胀形成形不均匀性研究及数值仿真.pdf

摘要 摘要 拼焊板成形技术，特别是差厚拼焊板成形技术，是汽车轻量化的一个重要 发展方向。在差厚拼焊板汽车覆盖件的冲压成形过程中，经常出现激光焊缝的 移动和成形性能下降等问题，导致无法获得所需要的形状尺寸和性能的产品。 差厚拼焊板成形枫理是比较复杂的，由于板料厚度的差异，坯料的各个部分在 成形过程中的受力状态及变形特点各不相同，相互间的作用和影响十分复杂， 致使很多成形问题在零件和模具设计阶段无法准确预计。因此研究差厚拼焊板 成形不均匀性，对其在汽车工业中的应用具有十分重要的意义。 本文以美国产g m w 2 m - - s t q 冷轧低碳舍金钢板激光焊接的差厚拼焊板为研 究对象，采用了力学解析、数值模拟和物理试验相结合的方法。首先，采用弹 塑性力学对胀形成形过程中差厚拱焊板的受力状态进行了理论分析，提出了影 响差厚拼焊板成形的影响规律。然后，通过直线焊缝差厚拼焊板的胀形成形试 验和有限元模拟，深入研究了板厚比参数、焊缝位置等因素对差厚拼焊板成形 性能的影响，并通过相关的物理试验验证了有限元模型的正确性。其次，对曲 线差厚拼焊板进行了半球胀形试验，分析了不同曲线形状、不同板厚比和不同 板料宽度对拼焊板成形的影响。并通过有限元模拟深入研究了曲线焊缝形状与 拼焊板成形性能之间的影响规律，比较了直线焊缝和曲线焊缝拼焊板的成形性 能差异通过以上研究，得到了板厚比、焊缝位置和曲线焊缝半径对于拼焊板 成形高度以及焊缝移动量的模型和规律性，为工程设计提供了参考依据。最后， 本文对拼焊板成形技术中需要进一步研究的工作提出了展望。 关键词：拼焊板板厚比焊缝位置焊缝形状有限元法 垒! 坠! 一一一一一 a b s t r a c t t a i l o r - w e l d e db l a n k ( t w s ) w i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s sr a t i op l a y sa l li m p o r t a n t r o l ei nt h el i g h t w e i g h t i n gt e c h n o l o g yo fa u t o m o b i l ei n d u s t r y p r o b l e m s ，s u c ha sw e l d l i n em o v g m e , n ta n dr e d u c t i o no f i t sf o r m a b i l i t y , 眦a l w a y so c c u r r e di nt h ea p p l i c a t i o n a n dp r o d u c t i o no ft w b s a n dt h e s ep r o b l e m sr e s u l ti nt h eb a dq u a l i t ya n d p e r f o r m a n c eo ft h et w bp r o d u c t s t h a n k st ot h ed i f f e r e n tt h i c k n e s sc o m b i n a t i o no f t h eb a s i cm a t e r i a l s i ti si m p o s s i b l et of m do u tt h ed e m e r i t si nt h ep r o c e s so fm o u l d d e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n g t h e r e f o r e ，i ti sm e a n i n g f u lt o t a k et h es t u d yo n f o r m a b i l i t yo f t w b s 1 1 1 i sp a p e rs t u d i e st h ef o r m a b i l i t yo fc o l dr o l l e ds t e e lo fg m w 2 m s t s m a d ei nu s a i nt h ep a p e r , m e c h a n i c a la n a l y z i n go fd o m ef o r m i n g ，f i n i t ee l c r a e n t m e t h o d ( f e m ) a n a l y z i n ga n dp h y s i c a ld o m et e s ta 舱c a r r i e do u t f i r s t l y , m e c h a n i c a l m o d e l so fd o m ef o r m i n go ft w b s 、i t l ld i f f e r e n tt h i c k n e s sr a t i oa n dd i f f e r e n tw e l d l i n es h a p e sa r ee s t a b l i s h e d b ya n a l y z i n gt h em e c h a n i c a lm o d e l s ，t h ep a p e rh a n d so u t t h ep a r a m e t e r so f t h i c k n e s sr a t i oa n dr a d i u so f c u r v e d w e l dl i n e ，w h i c hc a n i m p a c tt h e d o m ef o r m i n go ft w b s s e c o n d l y , b ys t u d yt h er e s u l t so fl i n e a rw e l dl i n et w b so f f e ma n di t sd o m et e s t , t h er e g u l a t i o mo ff o r m a b i l i t ya n dw e l dl i n em o v e m e n tu n d e r d i f f e r e n tt h i c k n e s sr a t i oa n dd i f f e r e n tp o s i t i o no f t h ew e l dl i n el a y o u t ，a r cp u tf o r w a r d ， a n dt h e nt h ed o m et e s to ff i n e a rw e l dl i n et w bi ss e tu pt ot e s t i f yt h ef e mr e s u l t s t h i r d l y , d o m et e s t so ft w b sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s sr a t i o d i f f e r e n tw i d t ho fb l a n k s a n dd i f f e r e n tc u r v e dw e l dl i n e sa r ec a r r i e do u tt of i n do u tt h ep e r f o r m a n c e so f n o n l i n e a rw e l dl i n et w b s w i t ht h ef e mm o d e l i n gf o r 也ec u r v e dw e l dl i n et w b s t h ep a p e rm a k e st h ec o m p a r i s o no fl i n e a ra n dn o n l i n e a rw e l dl i n et w b s ，w h i c hc a n h e l pt oo f f e rt h er e f e r e n c ef o rt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n f i n a l l y , t h ep a p e rt e l l s s o m ef 、】i r t h e r s t u d yd i r e c t i o n so ft w b s 1 1 1 ep a p e rg e t st h er e g u l a t i o n so nt h e f o r m a b i l i t yo f t w b so f t h i c k n e s sr a t i o 。w e l dl i n ep o s i t i o na n dw e l dl i n er a d i u s k e yw o r d s ：t a i l o r - w e l d e db l a n k ( t w o ) ，t h i c k n e s sr a t i o ，p o s i t i o no ft h ew e l dl i n e l a y o u t ，s h a p eo f w e l dl i n e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i i 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：童正国 彤年；月必日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年 月日 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。 签名：啬匝间 年弓月_ 2 2 日 第1 章绪论 1 | 引言 第1 章绪论 汽车工业已经成为我国国民经济的支柱产业之一，基于对未来汽车的环境 保护以及节约燃料等方面的考虑“】，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 轻重化过程中，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。 拼焊板( t a il o r - w e l d e db l a n k s ，t 髓s ) 冲压技术是指将两块或两块以上 的金属板抖焊接在一起，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。过去人们曾广泛采用整板成形法( o n e s h e e t f o r m i n g ) ，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。目前车身零件的生产是先将不同坯料冲 压成若干零件后，再点焊或铆焊成一个整体零件( 图1 2a ) 。这样即容易产生 焊接变形和焊接残余应力，产品整体刚度又不好，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。如果采用激光拼焊板成形 技术，即将各部分坯料拼焊后再进行整体冲压成形，则可避免这些问题，产品 整体质量得到提高，这已经被证明是一种目前菲常行之有效的好方法，如图1 2 b 。 落辩 亡二= = 口d 日 焊接冲压 画日 图1 。l 拼焊板冲压工艺过程示意 第1 章绪论 b 固1 2 传统点焊零件与拼焊板零件比对 在生产、制造和设计方面，拼焊板的使用有着巨大的优势“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 低汽车尾气的摊放，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起，因而提 高了零件的装配精度。 ( 3 ) 在材料方面，使用拼焊板可以节约材料约2 5 4 0 ，提高设计废料的 秘用率，降低成本。 ( 4 ) 提高车辆的结构整体性和安全性，简化车辆的整体结构。 ( 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，在撞击的过程中可以吸收更多 的能量，从而增强耐撞性能。 捞焊板的优点已在通用汽车公司c a d i l l a c 轿车和v o l v 0 8 5 0 车型上得到最好 的体现。1 9 9 8 年3 月，在日内瓦汽车展览会上展出的超轻型车身( u l s a b ) ，使 用了1 8 张拼焊板相当于当前普通车型使用量的四倍，与当前普通四门中型 轿车相比，车身重量降低了2 5 ，抗扭刚度提高了6 5 ，振动特性改善了3 5 ， 并且增加了弯曲刚度。最近有报道称，保时捷汽车中使用的拼焊板用量已经 占到整车重量的5 0 。 然而，拼焊板也给冲压成形工艺带来了一系列新的挑战。板厚不同或材质 不同会引起坯料发生不均匀变形，给冲压工序带来了诸多问题，例如焊缝发生 第1 章绪论 不均匀移动或扭曲，起皱条件的改变，材料弯曲的不均匀，零件减薄趋势增加， 焊缝处成形极限降低。冲头磨损。压边圈需要改型，压边力需要加以控制等等。 同时。岛于板材面积的增大，所需要用的模具表面积也会成倍增加模具的设 计制造及其对设备的要求也相应有所提高。只有很好地解决了这些问题，才有 可髓广泛推广拼焊板的应用。 t 2拼焊板的国内外应用现状 拼焊板的应用历史可以追溯到1 9 6 0 年，日本本母汽车公司采用拼焊板j 中压 件作为车身侧板使用。到7 0 年代美国福特汽车有限公司已经开始采用激光焊接 技术对车身钢板进行焊接，但未实现商业化。2 0 世纪8 0 年代后期，拼焊板的应 用得到愈来愈多的关注。一些西方大型汽车公司，如沃尔沃、奔驰、大众等首 批使用激光焊接的拼焊板制造卡车的前板、底板、加强柱等。日本丰田汽车公 司自1 9 8 5 年起开始在汽车制造中应用拼焊板，每年用于6 0 个冲压件的拼焊板 的消耗量为3 6 0 万张”1 。美国通用汽车公司是北美最大的拼焊板用户。已经戏功 地将拼焊板应用于几条汽车生产线底盘上层覆盖件的生产中，其中包括b u i c k ， c a d i l l a c 和o l d s m o b i l e 等车型。美国通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司在 1 9 9 4 1 9 9 7 年问使用拼焊板的情况见图1 3 。1 9 9 5 年，德国宝马公司开始大 规模使用拼焊板。使德国的拼焊板产量骤升至1 0 0 万张。1 9 9 3 年在欧洲大约有 3 0 0 万张拼焊板被用于车身制造，2 0 0 0 年拼焊板使用量已经达到5 0 0 0 万张”1 ， 欧洲各汽车公司使用拼焊板制造车身的情况如表1 。1 所示。根据v i l 公司的预测， 目前世界范围内每年生产车量大约5 0 0 0 6 0 0 0 万辆，若每辆车包含3 5 块拼 焊板。在接下来的5 1 0 年里每年拼焊板的需求量将达到1 5 亿张。 黍伯 ￥ 萋撕 藿翔 裁 期瞳立拄门摄横架其它 图l - 3 美国三大汽车公司使用拼焊板情况 第1 章绪论 不均匀移动或扭曲，起皱条件的改变，材料弯曲的不均匀，零件减薄趋势增加r 焊缝处成形极限降低，冲头磨损，压边圈需要改型，压边力需要加以控铷等等。 同时，由于板材面积的增大，所需要用的模具表面积也会成倍增加。模具的设 计制造及其对设备的要求也相应有所提高。只有很好地解决了这些问题，才有 可能广泛推广拼焊板的应甩。 t 2拼焊板的国内外应用现状 拼焊板的应用历史可以追溯到1 9 6 0 年日本本田汽车公司采用拼焊板冲压 件作为车身侧板使用。到7 0 年代美国福特汽车有碾公司已经开始采用激光焊接 技术对车身钢板进行焊接，但未实现商业化。2 0 世纪8 0 年代后期，拼焊板的应 用得到愈来愈多的关注。一些西方大型汽车公司，如沃尔沃、奔驰、大众等首 批使用激光焊接的拼焊板制造卡车的前板、底板、加强柱等。日本丰l 珏汽车公 司自1 9 8 5 年起开始在汽车肯q 造中应用拼焊板，每年用于6 0 个冲压件的拼焊板 的清耗量为3 6 0 万张”。美国通用汽车公司是北美摄大的拼焊板用户，已经成功 地将拼焊扳应用于几条汽车生产线底盘上层覆盖件的生产中，其中包括b u i c k ， c a d i l l a c 和0 1 d s m o b i l e 等车型。美国通用、福特、克莱新勒三大汽车公司在 1 9 9 4 1 9 9 7 年间使用拼焊板的情况见图1 3 ”。1 9 9 5 年，德国宝马公司开始大 规模使用拼捍板，使德国的拼焊板产量骡升至1 0 0 万张。1 9 9 3 年在欧洲大约有 3 0 0 万张拼焊板被用于车身制造，2 0 0 0 年拼焊板使用量已经达到5 0 0 0 万张9 ， 欧洲各汽车公司使用拼焊板制造车身的情况如表l 。1 所示。根据v l l 公司的预测， 目前世界范围内每年生产车量大约5 0 0 0 6 0 0 0 万辆，若每辆车包含3 5 块拼 焊板，在接下来的5 1 0 年里每年拼焊扳的需求量将达到l _ 5 亿张。 焊板。在接下来的5 1 0 年里每年拼焊扳的需求量将达到1 5 亿张。 围l _ 3 美国三大汽车公司使用拼焊板情况 第l 章绪论 表l 欧洲汽车公司使用拼焊板情况 车型名称应用场合 3 组件无镀锌层的横粱( 2 3 i 5 m ) 大众高尔夫车型2 组件后立柱( 1 5 t 2 r a m ) 带篷运输货车；加强扳( i 2 2 5 w ) 沃尔沃8 5 0 车型 1 1 个冲压件包括粱、前围板等 菲亚特轿车加强板i ( i 2 2 i 自呻) 加强板i i ( 1 8 i 2 i 8 l ) 奔驰货车驾驶室前端 轿车悬架后横梁、门内板、前立柱和横梁 欧宝轿车 5 组件衡围 宝马- - 7 系列后轴支架、车门( 1 8 o 7 m ) 奥遣轿车地板( 等厚电镀板。0 7 5 m ) 我国的部分汽车生产企业也在开始采用拼焊板成形技术，长春一汽a u d ia 6 的前地板使用了从德国大众原厂进口的拼焊板冲压成形件。一汽大众最早使用 拼焊板是为了获得宽度较大的薄板，目前已经发展到了使用非等厚拼焊板和非 均质拼焊板。上海大众的p a s s a t 、p o l o 等系列轿车的覆盖件零件也都采用了德 国t h y s s e n 公司原厂出口的拼焊板材料。上海通用的b u i c k 等车型的前门内板。 广州本田的o d y s s e y 多功能轿车的前门内板等使用了从国外进口的拼焊板进行 冲压。上海宝山钢铁股份有限公司已经开展这方面的研究，2 0 0 0 年由上海宝山 钢铁股份有限公司试制的激光拼焊板试冲了小红旗底板零件获得成功，填补了 国内汽车用激光拼焊板的空白。目前，由拼焊板生产的汽车零部件已被成功用 于车身骨架件、外覆盖件、内覆盖件、车门两侧的a 、b 立柱，车门内板，纵梁， 地板，轮罩，内后挡板，横梁。缓冲器等，如图i 4 所示。 4 第l 章绪论 图1 4 可采用拼焊板的汽车部件 。3 拼焊板成形技术的国内外研究现状 拼焊板已被广泛地应用在汽车车身覆盖件中，促进了拼焊板的研究，但是 已有的研究结果对于拼焊板的冲压成形性能的掌握还不够充分，尤其在如何定 量分析成形问题等方面做得不够多。因此，开展拼焊板的j 中压成形及其成形规 律的研究对于汽车覆盖件以及未来汽车的发展有着重要的理论和现实意义， 自上世纪八十年代开始，拼焊板作为新技术在美国、欧洲、日本等地区得 到广泛的关注。因】 l ：。对于拼焊板的相关研究也逐渐的发展起来了。a z u n m “等 人针对拼焊板的特殊性首先提出了三种标准成形性能试验：拉伸成形( s t r e t c h f o r m i n g ) 、拉伴凸缘成形能力( s t r e t c hf l a n g e 曲i l i t y ) 和深拉深能力( d e e p d r a w a b i l i t y ) 。作为这项工作的扩展，n a k a g a w a “”等人和1 w a t a “等人利用有限 元法( f e ! 哥) 分柝了掘似拉馋一边缘几饵形状 o 时，为加载过程，会弓l 起新的塑性变形。 2 ) 当一d o o 时，为卸载过程，不会引起新的变形。 3 ) 如果材料是理想属性的，则一d o = o 为加载过程。 在加载过程中，应力增量与应变增量的关系叫做塑性本构关系。卸载过程 中应力增量与应变增量韵关系是弹性的，服从虎克定律。 第2 章板料塑性成形理论及有限元法 图2 1 塑性材料应力一应变关系 在单向受力状态下，上述初始屈服极限，瞬时屈服极限，以及塑性本构关 系瓠可由实验测定a s 曲线寒确定。但是，在复杂受力情况下，初始弹性状 态的界限( 称屈服条件) ，和后继弹性状态的界限( 称后继屈服条件或加载条件) 以及塑性本构关系，就不能单纯依靠实验来解决了。因为当材料单元体的主应 力有两个或三个不为零时，它们的相互比值( 组合) 就可以有无限多。要按每 种比值进行实验是不可能的，更何况复杂受力的实验，在设备上和技术上都是 很困难的。因此，就不能不在一定的实验结果的基础上，通过假设和推理，对 这些问题进行科学的探讨。本章的基本内容，就是介绍在复杂应力状态下，特 别是在胀形双拉状态下，材料的屈服条件，加载条件以及变形应力应变关系。 本文中，都假定材料是均匀的和初始各向同性的。 2 1 、1 屈服条件与应力应变关系 在单向拉压时，材料从初始弹性状态进入塑性状态时的应力值。为拉伸及 压缩屈服极限，它们就是初始弹性状态的界限，在复杂应力状态下的初始弹性 状态的晃限称为屈服条件。一般说来它可以是应力口。，应变r 。时间t ，温度 麟的函数，可以写成 4 ) ( a 0 ，岛，t ，7 ) = 0 但在不考虑时间效应及接近常温的情形，时问f 及温度尉塑性状态没有什 么影响，那么在d 中将不包含卿t o 另则当材料在初始屈服之前是处于弹性状 12 第2 章板料塑性成形理论及有限元法 态的，应力i 和应变之间有一一对应关系，可将驴中的r 胡jo j t y 受示，这样，屈 服条件就仅仅只是应力分量的函数了，可将其表示成 ，( ) = 0 图2 2 屈服面与屈服曲线 如果以a 。枘六个应力分量作坐标轴，刚在六维应力空间中，方程尺a d = 口 表示一个包围原点的曲面，成为屈服曲面。当应力点a 准在此曲面之内时( 即 联口0 口) ，材料处于弹性状态。当应力点在此妞面上时( 即rd - ，= ，材料 开始屈服。 如果材料是各向同性的，且由应力不变量和静水应力不改变塑性状态假定 条件可知，塑性材料的屈服条件可以用j r 平面上的一个封闭曲线来表示。如果 一个应力状态满足屈服条件现在在这个应力状态上再加上一个静水应力，这时 在三维主应力空间中，它相当于沿图2 2 陆3o n 的水平线上移动，而应力点仍满 足屈服条件，因丽，在三维主应力空间中，屈服面是个等截面柱体它的母 线与直线口尸口于口丹行，如图2 2 瞄1 所示。 1 。屠瑞簸加( t r e s c a ) 屈服条件 最早的屈服条件是t 8 6 4 年屈瑞斯加根据库仑在力学中的研究结果，并从他 自己做的金属挤压试验中提出以下假设：当最大剪应力到达极限值k 时，材料 发生屈服。其表达式为 第2 章板料塑性成形理论及有限元法 2 m a x2 七 ( 2 1 ) 当规定d 。口，口肘，上式可写成 o r i 一0 222 k ( 2 2 ) 如果不知道a ，口。口d 晌大小顺序，则此条件应写成 m a 】( 峙一c r 2 i f c r 2 一c r 3 i ，i 一q l 】= 2 七 ( 2 3 ) 或 赔。一盯：) 2 4 k 2 1 赔：一c r 3 ) 2 4 k 2 j b ；一q ) 2 2 k z 】：o ( 2 4 ) 如用应力偏量不变量。涞表示上式，则可得到式( 2 4 ) 的屈服条件。 其表达式为 4 f - 2 7 j ；2 3 6 k 2 口+ 9 6 k 4 以一6 4 k 6 = 0 ( 2 5 ) 这个表达式太复杂了，在般情形都不使用。而当主应力方向为已知时， 则可采用式( 2 3 ) ，因为方程是线性的，使用起来比较方便。 在j r 平面上屈瑞斯加屈服条件是一个正六角形，如图2 3 嘶1 ( a ) 所示。因 为在_ 妒口，留范围 z ：宴h c r 3 ) ：压：堋f ， 这是一条直线，将其对称开拓后就成为正六边形。在主应力空间内，这个 屈服曲面是一个正六面柱体，它由下列六个平面构成： 0 1 一o r 2 = 2 j 】 1 0 2 一c r 3 = 控| ( 2 6 ) 吒一q = _ - k 2 k j 如果材料处于平面应力状态，且设一f 口则上式变成 1 4 第2 章板料塑性成形理论及有限元法 ( i ) 图2 3 屈瑞斯加屈服条件 o 1 一吒= 控| 】 1 0 - 2 = - + - 2 k l( 2 7 ) q = + g k j 在一，盯开面内的屈服曲线如图2 3 ”( b ) 所示。 现在说明枷何确定的问题，若作纯拉伸试验，则有口尸o ，口fa 产口， 4 厂a 7 2 k = - 口，得 k ：旦 若作纯剪屈服试验，则有0 产r 。，口产o ，口产一r 。，口。一口f ? r 产氟得 k = l s 比较上两式，若届瑞斯加屈服条件正确，则应有 吼2 2 0 ( 2 8 ) 对多数材料这个关系只能近似成立。 在材料力学中对于属性材料常用最大剪应力屈服条件最为强度理论来使 用，通常称为第三强度理论。 2 米塞斯( 1 l i s e s ) 屈服条件 屈瑞斯加屈服条件不考虑中间主应力的影响：另外当应力处在两个屈服面 的交线上时，处理时遇到一些数学上的困难：在主应力方向不知时。屈服条件 又很复杂，因此米塞斯在1 9 1 3 年研究了实验结果后，提出了另一种屈服条件， 1 5 毋r 审 第2 章板料塑性成形理论及有限元法 即当 以= ；( 砰+ 2 + 蠢一吼仃：一c r 2 c r 3 一c r 3 0 1 ) = c ( 2 9 ) 矿) 的铜板焊接而成( 忽略焊缝的热影响) 受 到平行于1 、2 主轴的力肺尼，如图3 5 所示。 图3 5 中的圆弧用圆弧上的点到平行于底边的弦的距离d 表示，且有以下 的对应关系； d = 厅i 一归j 再 ( 3 2 1 ) 其中，霄为圆弧半径，s 为圆弧上点投影到弦上后到板料对称轴的距离。 根据定义。b 板侧l ，2 方向的应力可表示为： 小砸听确豸= 惫( 3 2 ，) 由式( 3 2 ) 可得到： 秒p + d ) + 一硎 姐。， 第3 章拼焊板胀形的力学解析模型及有限元模型 将上式代入式( 3 8 ) ，可得1 、2 方向的应交之比： 卢。2 j ：i 丢主i 了蔬一22 ：i 磊乏i ：葫一2 3 2 3 从上式中可以看出，板厚比对于曲线拼焊板虽然仍有影响，但是式( 3 2 3 ) 中多了一个和半径有关的参数d 控制柏大小就可以控制l 、2 方向的应变值。 显然，式( 3 2 3 ) 是对于礴g 增函数，随着韵变大，1 、2 方向的应变比值夕着 大，成形极限图上变形过程容易向平面应变状态偏移，板料失效加快；相反， 当确蟊小，成形极限f l d 图上变形过程易偏向等双拉线附近，成形变得均匀，板 料成形性能能较好的提高。又有式( 3 2 1 ) 可知，焊缝半径肺曾大，这个相关系 数蠛之减小，因此式( 3 2 3 ) 也可以看作是相对于焊缝半径的函数关系式，详 见第五章。 在2 方向的焊缝移动，可以用板料在2 方向上的应变值表示，如下式所示： 缱= 卢。毛一d ) ( 3 2 4 ) 其中鹆为b 侧板料2 轴方向的移动量。式中的岛为板料在1 方向的应变， 可表示为： 若，不考虑板料的各向异性，即8 = 券，则上式可简化为： 砰= 耐端爿 i ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) 从式( 3 2 3 ) 和式( 3 ，2 6 ) 可以看出，曲线焊缝的曲率半径用会直接导致 成形状态的改变，因此改变焊缝形状会影响整块拼焊板的变形性质。式( 3 2 4 ) 指出曲线焊缝的移动量受到d 的影响，其规律性在论文第五章中有详细描述。 第3 章拼焊板胀形的力学解析模型及有限元模型 3 2 拼焊板胀形成形有限元模型 3 2 1 胀形试验冲压模具的几何建横 图3 6 ( a ) 为半球胀形试验的模具，图3 6 ( b ) 为半球胀形试验的示意图。 理论上，一般在胀形试验时为了保证材料不发生向模具内腔的径向流动，在半 球胀形模具的压边圈上使用拉延筋。考虑到划分网格的要求，拉延筋在几何模 型中可以忽略，而在划分好有限元网格后通过使用b e a m 单元来近似描述实际的 拉延筋。图3 7 为根据示意图的描述所建立的几何模型。 ( a ) 图3 6 半球胀形试验模及模具示意图 图3 ：7 胀形成形的几何模型 3 2 2 胀形试验冲压模具的有限元建模 ( b ) ( 1 ) 单元类型的选择 本文中选用8 e y t s c h k o t s 钾。”三缝板壳单元进行有限元建模， b e l y t s c h k o t s a y 单元也称为b e l y t s c h k o l i n t s a y 三维板壳单元，它是先前 l s d y n a 中应用已久的h u g h e s l i u j 俐j 替代者，也是目前用于计算板料成形有 第3 章拼焊板胀形的力学解析模型及有限元模型 限元的最有效的板壳单元。b e l y t s c h k o - t s a y 单元采用面内单点积分，在其厚度 方向上具有5 个积分点，相对于拥有4 0 6 6 个计算方程的h u g h e s l i u 单元， b e l y t s c h k o t s a y 单元只需要7 2 5 个数学表达式就可对其进行完整的表达，因此 b e l y t s c h k o - t s a y 单元可大大降低发生不收敛的概率，且运算速度相对 h u g h e s - l i u 单元可提高2 5 0 。 ( 2 ) 网格的生成 在d y n a f o r m 软件中，网格划分的方式有自动划分和手控划分两种。自动化 划分网格是有限元前处理软件，根据问题进行初步判断后自动生成的，是有限 元软件智能化发展的方向。但目前大多数软件自动划分的功能有限，还不实用。 手控划分是分析人员根据理论和经验对网格进行划分，这样导致计算的精度和 效率极大地依赖于分析人员。值得注意的是。在d y n a f o p , m 软件中特别采用了b e a m 单元来近似描述拉延筋，而拉延筋所需的各个参数控制都可通过专用的接口设 置，这样大大简化了拉延筋的建模过程，见图3 8 所示。根据以上的思路。本 文对冲压模具进行了网格划分，具体请看图3 9 。 ，l 凸壤 图3 8d y n a f o i 瑚拉延筋的设置板块 控廷蓐 压边 图3 9 胀形模具的有限元网格划分 第3 章拼焊板胀形的力学解析模型及有限元模型 根据l s d y n a 对刚体模型定义的规定啪1 ，在划分刚体网格时可适当增大单元 的网格面积，这样既可以在求解运算时节约时间，也不会因网格数太稀疏而导 致结果精度的不高。设定模具网格自动划分的参数主要是：凸摸单元总数为 1 4 4 4 ，其中四边形单元数为1 3 0 4 1 压边圈单元数为3 2 0 ，为四边形单元，而拉 延筋选用b e a m 单元；凹模单元数为7 3 6 ，全部为四边形单元。 3 ，2 3 拼焊板坯料的有限元建模 本文中使用的拼焊板都为激光焊接雨成，且目前国外汽车覆盖件的生产也 以激光拼焊为主流。激光焊焊缝的特点是焊接速度快，热影响区范围小，焊缝 窄，外形美观，焊缝金属性能变化小，焊缝较硬。激光焊的这些特点使得它适 合于不同厚度或不同材质拼焊板的焊接阻1 。 目前对于焊缝及其热影响区的建模主要有以下两种方式：刚性建模，即 忽略焊接类型，只考虑焊接位置，不考虑马氏体数量。这种情况下焊缝与热影 响区用一行单元来表示，适用于激光焊等焊缝相对成形零件极小的情况下，对 结果影响不大精确建模，即准确模拟焊缝及热影响区，包括焊接方式( 焊 缝形状及尺寸) 与马氏体数量( 焊缝及熟影响区) 。 考虑到激光焊接产生的焊缝很窄，仅1 2 f m ，与整块2 0 3 ，2 衄拼焊板的总 长相比。完全可以忽略其宽度。其次，文献旧1 的结论可知，焊缝及其热影响区 域内的金属，由于在焊接过程中产生了局部金相组织变化，其硬度和刚度要明 显超出两侧母体材料。综合以上的因素，这里的焊缝采用了焊接单元刚性连接 建模的处理方法，它属于刚性建模方式的一种1 。即不考虑焊缝及其热影响区 的具体机械参数，只确定其在拼焊板坯料上的位置，通过限定其两侧板料对应 节点的位移，实现对焊缝的建模处理，具体参见图3 1 0 所示。 图3 1 0 拼焊板的有限元建模 第3 章拼焊扳胀形的力学解析模型及有限元模型 3 2 4 拼焊板材料模型的建立 本文中半球胀形试验所选用的拼焊板母材为美国通用标准低碳合金钢 g 椰2 m s t - s 。g 婀2 m _ s t s 是属于i f ( 无间隙原子) 钢，主要应用于汽车的内外 板秘一些深冲性能要求较高的零件。为了获得该钢板的材料属性，本文选取了 板厚为2 2 1 n u 瘌板厚为1 1 7 r a m 的钢板做了材料性能试验，试验所得数据如表3 1 所示。根据d y n a f o r m 的理论手册低碳钢的材料模型为： d = k 矿 表3 1 拼焊板母材材科属性 厚板( 2 2 l ) 薄板( 1 1 7 m ) 屈服极限 2 2 4 1 6 姗a2 4 3 2 驵p a 抗拉极限 3 5 5 2 5 蛐a3 6 2 2 6 伊a 各向异性r 值 o 9 70 9 7 强度系数k 5 8 4 硼) a 5 9 5 m p a 硬化指数n 0 1 9 5 0 1 9 5 ( 低碳钢的密度为7 8 i 0 3 k g m 3 ，弹性模量为2 0 7 2 ，0 7 1 0 5m p a ，泊松比为0 2 8 ) 3 2 5 拼焊板接触模型的建立 拼焊板坯料在冲压成型过程中，凸模、凹模、压边圈与拼焊板表面的接触 对拼焊板坯料表面施加作用力使板料产生塑性变形。在模具与拼焊板坯料的接 触变形过程中，拼焊板的变形和接触边界的摩擦作用使得部份边界条件随加载 过程而变化，从而导致了边界条件的非线性。而板料在模具中成型时的边界条 件的确定是影响分析收敛和精确性的主要因素之一，也决定了数值分析的解与 实际实际情况相吻合的程度。 在d y n a f o r m 软件中有多种接触类型描述不同的接触情况，这些接触类型较 好的模拟了大部分工程中存在的接触问题。在成形过程中板料与压边圈之问的 接触状况是不断变化的，接触区域也是不断变化的，因此采用滑动接触类型。 根据接触算法理论，接触面区域是通过接触面之间的不断搜寻来确定的，因此 时间步长不能太大，一般最小时问步长是软件自行计算出来的，为了计算保险起 见，建议用时间步长因子乘于时间步长为计算时间步长，因子一般小于1 _ 0 ，如 3 9 第3 章拼焊板胀形的力学解析模型及有限元模型 果因子大于1 0 ，则计算结果会出现误差。 接触力的计算，在软件算法中，一般采罚函数。这种方法既考虑了接触力， 又不增加系统自由度，计算效率较高。在本文的模拟中，统一使用的是库仑摩 擦模型，使用在罚函数计算中的摩擦系数设定为0 1 。这其中不考虑区分滑动摩 擦系数与静摩擦系数两者之间的区别。即统一按照0 1 进行计算。 3 3 小结 本章首先对直线焊缝和曲线焊缝差厚拼焊板的半球胀形变形做了力学建 模，分析了影响差厚拼焊板成形不均匀性的因素。接着又对胀形试验建立了有 限元模型，主要包括几何模型的建立、模型的划分网格、拼焊板材料模型与接 触条件的建立，等。 在力学解析模型的分析中，可以得到以下结论： ( 1 ) 忽略母板的材料性能差异，直线焊缝差厚拼焊板的胀形成形受到板 厚比矿的影响较大。式( 3 8 ) 显示，随着板厚比，的增加，会影响 薄板侧板料的成形规律性，在f l d 图上变化规律为，变形状态从等双 拉状态向平面应变状态偏移。 ( 2 ) 曲线焊缝拼焊板在胀形成形状态上受到焊缝曲率半径的影响。相比 直线焊缝差厚拼焊板而言，曲线焊缝拼焊板通过改变焊缝曲率半径 控制板料的成形状态。式( 3 2 3 ) 是对于d ( d 为与焊缝半径斤有关 的系数) 韵增函数，在f l d 图上变化规律为，随着d 的增加，变形 状态容易向平面应变状态偏移；相反，当d 减小，变形状态易保持 在等双拉线附近，成形变得均匀。 第4 章直线焊缝差厚拼焊板成形性比较研究 第4 章直线焊缝差厚拼焊板成形性比较职究 汽车覆盖件以复杂曲面居多，如锥形、半球形等。复杂馥霭零 牛件戏形较 为困难，而生产中又有较大需要。复杂曲面覆盖件的成形多为拉深和胀形成形， 而评价板料成形的一个重要指标就是极限胀形成形性。因此，本章选择了半球 胀形件来研究拼焊板成形规律。本章对不等厚拼焊板的半球胀形过程做了一系 列有限元模拟和试验分析，着重分析了板厚比和焊缝位置对拼焊板胀形成形的 影响原因。归纳了同一板厚比，不同焊缝位置的拼焊板成形规律，以及同一焊 缝位置。板厚比不同的拼焊板成形规律。 4 1直线焊缝差厚拼焊板的胀形成形性 4 ，1 板厚比对或形性的影晌分析 第三章的结论中指出，对于同种材料的拼焊板，板厚比会影响拼焊板的成 形性。为了研究板厚比对直线焊缝拼焊板成形的影响规律，本文选择焊缝处于 板料对称中线上的差厚拼焊板作为研究对象展开研究。板料的几何尺寸为2 0 3 2 2 0 3 2 瓣f ，焊缝位于板料中心，见图4 1 ，板厚比组合见表4 1 。在有限元仿 真过程中，为了使仿真结果和试验结果一致因此在不损失运算时间和运算精 度的条件下，板料胀形选用的边界条件为表4 2 所示。 表4 1 板料厚度及板厚参数( 单位：m ) 第4 章直线焊缝差厚拼焊板成形性比较研究 图4 1 拼焊板几何尺寸( 深色为厚板，浅色为薄板) 表4 2 冲压胀形边界条件 摩擦系数0 1 屈服准则 v o nm i s e s 硬化曲线方划 压边力 4 0 k n 冲压速度 各向异性系数 l 。o 图4 2 为不同板厚比情况下的拼焊板薄板的成形极限f l d 图，从f l d 图的 交化趋势可以看出，随着拼焊板板厚比的增加，薄侧板料的f l d 图的应变形式 由原来的等双拉状态，转变成近似平面应变状态。由此规律可以推断，在胀形 变形过程中，拼焊板的薄板侧板料的最大应变和最小应变的比值# 在增大，这 个结果符合第三章中力学表达式( 3 8 ) 的规律。 板料成形理论中指出，在胀形成形过程中，板料的中间部分在变形时处在 双向拉应力状态下，如果此时板料厚度相同，胀形后板厚分布均匀，且拼焊板 的等效应力分布均匀，板料的成形始终处在等双拉状态，等厚拼焊板成形极限 图，如图4 2 ( 1 ) 所示。若材料处在不等厚的情况下，薄板变形所需要的冲头 载荷及拉应力小于厚板交形所需要的载荷。因此，薄板易满足塑性变形条件而 率先屈服，随着厚板的厚度增加，厚板发生塑性变形的趋势越小，表现在等效 应力图上为，厚板的等效应力随着板厚比的增加而减小，如图4 3 所示。 4 2 第4 章直线焊缝差厚拼焊板成形性比较研究 沪。 ( 1 ) 板厚比：1 0 驴 ( 2 ) 扳厚比：1 2 驴 一挈。 沙 ( 4 ) 板厚比：1 8 9 1 、 驴 ( 5 ) 板厚比：2 0 。7 沙 ( 3 ) 板厚比：1 5 ( 6 ) 板厚比：2 5 图4 2 不同扳厚比拼焊板薄板侧的f l d 图 在冲压的过程中厚板的成形较困难，以板厚比为1 8 9 的拼焊板胀形过程来 看，其原因从图4 4 中可以看出，厚板变形的应力始终小于薄板变形的应力，从 而导致薄板在焊缝处的材料在冲压成形过程中向厚板方向移动，因而薄板处材料 受到等双拉和平面应变的综合作用，造成了不等厚拼焊板的薄板成形极限图从等 双拉状态向平面应交状态偏移，如图4 2 所示。 4 3 第4 章直线焊缝差厚拼焊板成形性比较研究 图4 3 不同板厚比拼焊板的等效应变分布图 图4 4 厚板和薄板等效应力时问历程 为了便于研究板厚比对焊缝移动的影响规律，本文分析了不同板厚比拼焊 板在胀形高度为2 1 5 0 唧情况下的焊缝移动。图4 5 为不同板厚比拼焊板的焊 缝移动情况，考虑到板料的对称性，因此图中只列出了对称中线右侧的焊缝变 形情况。分析图4 5 可知，胀形变形后的焊缝都会向厚板侧发生移动，焊缝中 第4 章直线焊缝差厚拼焊板成形性研究 央的移动量远大于焊缝靠近压边圈的移动量，焊缝的变形趋势呈现中间大两端 小的过渡趋势，整体上表现为圆弧弯曲状态，且焊缝的移动量也随着板厚比的 增加而加大。 图4 。5 胀形高度相同不同援厚比的焊缝移动 m 21 416152 i o t h i c k r l e s sr a u o 图4 6 最大焊缝移动板厚比 图4 5 中的焊缝移动量和拼焊板的板厚比之间存在某种定量关系，为此本 文将不同板厚比情况下的拼焊板的最大焊缝移动量单独列出进行研究。图4 6 中为不