（材料加工工程专业论文）点焊拼接板冲压成形性能的理论分析.pdf

西北工业大学硕士 学位论文 摘要 拼焊板的出现给车身设计和制造带来了革命性的变革， 突破了同一车身零件 使用相同材料的传统思路口 作为拼焊板的一种， 点焊拼接板可以将不同规格、 材 质、 尺寸的金属板材通过叠加或拼对的方法焊接在一起形成毛坯， 再通过冲压加 工就可以获得形状、 强度、 重量等都得到优化的冲压零件。 与其它种类拼焊板相 比，点焊拼接板具有效率高、成本低等优点。 本文以车身常用板材构成的点焊拼接板为研究对象， 采用试验研究与理论分 析相结合的方法， 对点焊拼接板的冲压成形性能进行了系统的研究， 并与数值模 拟结果进行了对比。主要成果和新见解如下: 1 试验表明:点焊拼接板冲压成形时，主要以母材变形为主， 焊点变形较 小， 尤其是焊点熔核部分更难以变形; 点焊拼接板在宏观上表现出性能的协调性， 焊点只是对双层板的局部变形产生影响， 对整体成形影响不大; 点焊拼接板的总 伸长率低于母材，但拉伸失稳前材料处于均匀伸长阶段的伸长率与母材相当。 2 用应力函数的方法得到焊点附近应力集中的分布情况， 并以s w i f t - h i l l 屈服准则为判据， 确定了单向拉伸时焊点附近产生塑性变形的力能条件。 根据单 一曲线假设， 得到拉伸轴线上各点的应变情况， 与有限元模拟结果对比可知， 此 方法仅适用于小弹塑性变形问题。 3 .从理论上分析得到了双层板在弹性阶段和塑性阶段的机械性能参数， 并 由 此绘制出了双层板的理论成形极限图。 针对点焊拼接板的特点， 首次提出了概 率化成形极限图的概念， 并结合有限元模拟出的成形件极限应变图， 就可以初步 进行选材预测，并确定生产的安全裕度。 关键词:点焊拼接板; 冲压成形性能; 性能试验; 应力函数; 概率化成形极限图 西北工业大学硕士学位论文 ab s t r a c t t h e e me r g i n g o f t h e t wb ( t a i l o r e d w e l d e d b l a n k ) t e c h n o l o g y h a s b r o u g h t a r e v o l u t i o n a r y r e f o r m t o t h e d e s i g n a n d m a n u f a c t u r e o f v e h i c l e b o d y . i t h a s b r o k e n t h r o u g h t h e t r a d i t i o n a l i d e a t h a t a i l p a r t s o f t h e v e h i c l e b o d y a r e m a d e o f t h e s a m e k i n d o f b l a n k . s p o t w e l d i n g t a i l o r e d b l a n k , o n e k i n d o f t a i l o r e d w e l d e d b l a n k , i s c o mp r i s e d o f me t a l s h e e t s w i t h v a r i o u s s p e c i f i c a t i o n , ma t e r i a l a n d d i me n s i o n t h a t a r e w e l d e d b y s p l i c i n g me t h o d o r j o i n i n g me t h o d . a n d t h e s t a m p i n g p a r t s t h a t h a v e b e e n o p t i mi z e d i n s h a p e , s t r e n g t h a n d w e i g h t c a n b e a c q u i r e d v i a t h e b l a n k s t a m p e d c o n s e q u e n t l y . c o m p a r e d w i t h o t h e r k i n d s o f t wb s , t h e a p p l i c a t i o n o f s p o t w e l d i n g t a i l o r e d b l a n k h a s ma n y a d v a n t a g e s s u c h a s h i g h e f f i c i e n c y a n d l o w c o s t , e t c . i n t h i s p a p e r , t h e s p o t w e l d i n g t a i l o r e d b l a n k , ma d e o f g e n e r a l v e h i c l e b o d y s h e e t s , i s t h e r e s e a r c h s u b j e c t . t h e f o r mi n g c a p a b i l i t y o f s p o t w e l d i n g t a i l o r e d b l a n k i s s y s t e m a t i c a l l y s t u d i e d b y i n t e g r a t i n g t e s t me t h o d a n d t h e o r e t i c a l a n a l y s i s i n h a r mo n y a n d c o m p a r e d w i t h n u me r i c a l s i mu l a t i o n r e s u l t . t h e ma i n f r u i t s a n d n e w i d e a s a r e a s f o l l o w i n g : 1 . t h e t e s t i n g r e s u l t s i n d i c a t e s : ( 1 ) d u r i n g t h e s h a p i n g o f s p o t w e l d i n g t a i l o r e d b l a n k , t h e d i s t o r t i o n i s m a i n l y c o n t r i b u t e d b y t h e b a s e me t a l . t h e d i s t o r t i o n o f w e l d i n g s p o t s i s c o m p a r a t i v e l y l e s s e r . t h e n u g g e t o f t h e w e l d i n g s p o t s i s h a r d t o d i s t o r t e s p e c i a l l y . ( 2 ) t h e s p o t w e l d i n g t a i l o r e d b l a n k s h o w s c o m p a t i b i l i t y o f f o r m a b i l i t y g e n e r a l l y . o n l y t h e l o c a l d i s t o r t i o n o f t h e b l a n k i s a f f e c t e d b y w e l d i n g s p o t s . t h e f o r m i n g o f t h e w h o l e b l a n k i s r a r e l y i n fl u e n c e d b y t h e m. ( 3 ) t h e t o t a l e l o n g a t i o n o f s p o t w e l d i n g t a i l o r e d b l a n k i s b e l o w t h e t o t a l e l o n g a t i o n o f t h e b a s e me t a l . b u t d u r i n g t h e s mo o t h t e n s i l e s t a g e b e f o r e t e n s i l e b u c k l i n g , t h e e l o n g a t i o n o f t h e b l a n k i s c o r r e s p o n d t o t h e b a s e me t a l . 2 . t h e d i s t r i b u t i o n o f s t r e s s a r o u n d t h e w e l d i n g s p o t i s o b t a i n e d b y a d o p t i n g s t r e s s f u n c t i o n . t h e s t r e s s , w h i c h c a n ma k e t h e p l a s t i c a l l y d e f o r mi n g a r e a a p p e a r a r o u n d t h e w e l d i n g s p o t , i s d e t e r mi n e d o n t h e b a s e o f s w i f t - h i l l y i e l d c r i t e r i o n . t h e s t r a i n s o f s p o t s o n t h e t e n s i l e a x i s a r e a c q u i r e d b y u s e o f s i n g l e c u r v e a s s u m p t i o n . t h e c o mp a r i s o n b e t we e n t h e t h e o r e t i c a l r e s u l t a n d n u me r i c a l s i mu l a t i o n r e s u l t i n d i c a t e s t h e t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n me t h o d i s o n l y a p p l i e d t o s ma l l e l a s t i c - p l a s t i c i t y d e f o r ma t i o n . ii ab st ra ct j. . . . . 3 . t h e me c h a n i c a l p r o p e r t y p a r a me t e r s o f b i - l a y e r - p l a t e a t e l a s t i c s t a g e a n d p l a s t i c s t a g e a r e a c q u i r e d b y t h e o r e t i c a l a n a l y s i s , t h e n t h e t h e o r e t i c a l f o r mi n g l i mi t e d d i a g r a m o f b i - l a y e r p l a t e i s p l o t t e d . p o i n t i n g a t t h e c h a r a c t e r i s t i c o f s p o t w e l d i n g t a i l o r e d b l a n k , t h e c o n c e p t i o n o f p r o b a b i l i s t i c f o r mi n g l i m i t e d d i a g r a m ( p - f l d ) i s p r e s e n t e d . c o m b i n e d w i t h c o m p o n e n t f o r mi n g l i mi t d i a g r a m, ma t e r i a l s e l e c t i o n c a n b e m a d e i n i t i a l l y a n d t h e s a f e t y ma r g i n i n p r o d u c t i o n c a n b e d e t e r mi n e d . k e y w o r d s : s p o t w e l d i n g t a i l o r e d b l a n k ; s t a m p i n g f o r m a b i l i t y ; c a p a b i l i t y t e s t ; s t r e s s f u n c t i o n ; p r o b a b i l i s t i c f o r m i n g l i mi t e d d i a g r a m rzr 西北工业大学硕上学位论文 第一章 前 言 11引 言 随着社会的发展， 人们普遍开始认识到全球能源的有限性及日 益严重的环境 污染给人类社会带来的危害， 可持续发展战略业己 成为人们普遍关注的焦点。 汽 车工业由于消耗了大量的能源以及燃油汽车所造成的环境污染问题也开始被社 会所关注。有关研究表明:减少 1 %的车身重量会减少 0 .6 % 一1 %的耗油量。因 此， 基于未来汽车对能源、 环境和自 身安全因素方面的考虑， 除了发动机性能和 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制造业的一个基 本 发 展目 标 o f 拼焊板 ( t w b s : t a i l o r w e l d e d b l a n k s ) 是近年来车身冲压领域大量应用的新 型材料， 用于车身冲压零件制造时， 由于冲压成形的毛坯由多块较小的板料焊接 而成， 这不但可以 提高冲压加工的材料利用率 ( 高于传统方法) ，而且还可以 获 得整体成形时的精度优势， 同时可根据零件各部位的形状和功能在冲压毛坯上实 现冲压材料等级、 材料强度和抗腐蚀性等功能的优化配置2 1 从2 0 世纪8 0 年代中期开始， 拼焊板作为新技术在美国、 欧洲、日 本得到了 广 泛的 关 注 !3 - 4 1 。 在 汽车和 钢 铁公 司 合作的 超 轻钢 车身( u l s a b ) 工 程中 ， 采 用 1 6块拼焊板冲压件，车身零件数量约减少2 0 %,减重2 5 %。目前，由拼焊板生 产的汽车零部件主要有位于车门两侧的立柱、 车门内 板、 纵梁、地板、 轮罩、内 后挡板、 横 梁缓冲器等ls - 8 )国内 部分 汽车生 产企业， 如上 海大众、 一汽大 众都 应用了拼焊板成形技术。 由于使用拼焊板制造车身冲压零件将获得巨大的经济利益， 并可以有效地提 高车身的制造精度， 因此针对各类拼焊板冲压工艺方法的 研究已 成为当 今国际汽 车制造业在金属薄板成形技术领域的研究热点。 从某种意义上讲， 各类拼焊板实际上是一类新的结构材料， 它与传统材料不 同的是:材料厚度不均匀:组成拼焊板的基础材料形状不规则;材质不均匀等。 西北工业大学硕上学位论文 第一章 前 言 11引 言 随着社会的发展， 人们普遍开始认识到全球能源的有限性及日 益严重的环境 污染给人类社会带来的危害， 可持续发展战略业己 成为人们普遍关注的焦点。 汽 车工业由于消耗了大量的能源以及燃油汽车所造成的环境污染问题也开始被社 会所关注。有关研究表明:减少 1 %的车身重量会减少 0 .6 % 一1 %的耗油量。因 此， 基于未来汽车对能源、 环境和自 身安全因素方面的考虑， 除了发动机性能和 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制造业的一个基 本 发 展目 标 o f 拼焊板 ( t w b s : t a i l o r w e l d e d b l a n k s ) 是近年来车身冲压领域大量应用的新 型材料， 用于车身冲压零件制造时， 由于冲压成形的毛坯由多块较小的板料焊接 而成， 这不但可以 提高冲压加工的材料利用率 ( 高于传统方法) ，而且还可以 获 得整体成形时的精度优势， 同时可根据零件各部位的形状和功能在冲压毛坯上实 现冲压材料等级、 材料强度和抗腐蚀性等功能的优化配置2 1 从2 0 世纪8 0 年代中期开始， 拼焊板作为新技术在美国、 欧洲、日 本得到了 广 泛的 关 注 !3 - 4 1 。 在 汽车和 钢 铁公 司 合作的 超 轻钢 车身( u l s a b ) 工 程中 ， 采 用 1 6块拼焊板冲压件，车身零件数量约减少2 0 %,减重2 5 %。目前，由拼焊板生 产的汽车零部件主要有位于车门两侧的立柱、 车门内 板、 纵梁、地板、 轮罩、内 后挡板、 横 梁缓冲器等ls - 8 )国内 部分 汽车生 产企业， 如上 海大众、 一汽大 众都 应用了拼焊板成形技术。 由于使用拼焊板制造车身冲压零件将获得巨大的经济利益， 并可以有效地提 高车身的制造精度， 因此针对各类拼焊板冲压工艺方法的 研究已 成为当 今国际汽 车制造业在金属薄板成形技术领域的研究热点。 从某种意义上讲， 各类拼焊板实际上是一类新的结构材料， 它与传统材料不 同的是:材料厚度不均匀:组成拼焊板的基础材料形状不规则;材质不均匀等。 第 i 章前言 理旦组口旦典口旦旦旦旦旦旦旦口口 由于有这些特殊性， 各类拼焊板要进一步应用于冲压领域， 急需了解拼焊板冲压 成形机理，用于指导冲压工艺。 由于大多数薄板 ( 尤其是汽车用钢板) 是要经过冲压或弯曲以后使用的， 所 以板料成形性能的优劣愈来愈受到重视， 各种衡量金属材料性能的实验和指标也 不断被开发出来。 但是由于实际冲压过程中应力应变状态千差万别， 一种实验和 指标往往难以全面反映出不同状态下材料的成形性能， 因而也就造成了对一种材 料全面进行成形性评价的困难。成形极限图的出现在一定程度上解决了这一问 题， 冲压成形过程的大部分应变状态总可以在成形极限图上得到反映， 因而用以 评价板材的成形性能既可信又直观。 点 焊拼接板是拼焊板的一种， 它在大批量生产时 可以 采用多点焊工艺制成， 因此， 是一种高效率、 低成本的 拼焊板。 点焊拼接板在焊接成本、 焊接效率和焊 接条件等方面所具有的突出优势应在国内汽车制造行业推广应用， 因此， 对点焊 拼接板冲压成形性能的理论研究，具有重要的理论意义和广阔的应用前景9 1 . 2拼焊板成形性能的研究现状 拼焊板是2 0 世纪6 0 年代日 本本田汽车公司利用边角小料做车身侧内 板而采 用的一项技术。2 0 世纪7 0 年代， 美国福特汽车公司采用激光焊接技术进行车身 钢板的拼焊，但未走向商业化。2 0 世纪 8 0年代， 社会对节能、环境、驾驶安全 性等要求越来越高， 拼焊板的应用也得到越来越多的关注并进入了高速发展阶段 no 1 . 2 . 1拼焊板及其特点 拼焊板是将两块或两块以 上具有不同机械性能、 镀层和厚度的板料焊接在一 起所得到的具有理想强度和刚度的轻型板料。 拼焊板焊接方式主要有激光焊、 滚 压电阻缝焊、电子束焊接、感应焊、等离子焊和气体保护钨极弧焊等等。目 前， 拼焊板在汽车制造业发达的国家己 被成功地用于内覆盖件、 外覆盖件和骨架件等 车 身 零 件 的 冲 压 生 产中 n u 不同种类的拼焊板， 其特点和优势并不完全相同， 最佳的应用环境和应用形 z 第 i 章前言 理旦组口旦典口旦旦旦旦旦旦旦口口 由于有这些特殊性， 各类拼焊板要进一步应用于冲压领域， 急需了解拼焊板冲压 成形机理，用于指导冲压工艺。 由于大多数薄板 ( 尤其是汽车用钢板) 是要经过冲压或弯曲以后使用的， 所 以板料成形性能的优劣愈来愈受到重视， 各种衡量金属材料性能的实验和指标也 不断被开发出来。 但是由于实际冲压过程中应力应变状态千差万别， 一种实验和 指标往往难以全面反映出不同状态下材料的成形性能， 因而也就造成了对一种材 料全面进行成形性评价的困难。成形极限图的出现在一定程度上解决了这一问 题， 冲压成形过程的大部分应变状态总可以在成形极限图上得到反映， 因而用以 评价板材的成形性能既可信又直观。 点 焊拼接板是拼焊板的一种， 它在大批量生产时 可以 采用多点焊工艺制成， 因此， 是一种高效率、 低成本的 拼焊板。 点焊拼接板在焊接成本、 焊接效率和焊 接条件等方面所具有的突出优势应在国内汽车制造行业推广应用， 因此， 对点焊 拼接板冲压成形性能的理论研究，具有重要的理论意义和广阔的应用前景9 1 . 2拼焊板成形性能的研究现状 拼焊板是2 0 世纪6 0 年代日 本本田汽车公司利用边角小料做车身侧内 板而采 用的一项技术。2 0 世纪7 0 年代， 美国福特汽车公司采用激光焊接技术进行车身 钢板的拼焊，但未走向商业化。2 0 世纪 8 0年代， 社会对节能、环境、驾驶安全 性等要求越来越高， 拼焊板的应用也得到越来越多的关注并进入了高速发展阶段 no 1 . 2 . 1拼焊板及其特点 拼焊板是将两块或两块以 上具有不同机械性能、 镀层和厚度的板料焊接在一 起所得到的具有理想强度和刚度的轻型板料。 拼焊板焊接方式主要有激光焊、 滚 压电阻缝焊、电子束焊接、感应焊、等离子焊和气体保护钨极弧焊等等。目 前， 拼焊板在汽车制造业发达的国家己 被成功地用于内覆盖件、 外覆盖件和骨架件等 车 身 零 件 的 冲 压 生 产中 n u 不同种类的拼焊板， 其特点和优势并不完全相同， 最佳的应用环境和应用形 z 第 i 章前言 理旦组口旦典口旦旦旦旦旦旦旦口口 由于有这些特殊性， 各类拼焊板要进一步应用于冲压领域， 急需了解拼焊板冲压 成形机理，用于指导冲压工艺。 由于大多数薄板 ( 尤其是汽车用钢板) 是要经过冲压或弯曲以后使用的， 所 以板料成形性能的优劣愈来愈受到重视， 各种衡量金属材料性能的实验和指标也 不断被开发出来。 但是由于实际冲压过程中应力应变状态千差万别， 一种实验和 指标往往难以全面反映出不同状态下材料的成形性能， 因而也就造成了对一种材 料全面进行成形性评价的困难。成形极限图的出现在一定程度上解决了这一问 题， 冲压成形过程的大部分应变状态总可以在成形极限图上得到反映， 因而用以 评价板材的成形性能既可信又直观。 点 焊拼接板是拼焊板的一种， 它在大批量生产时 可以 采用多点焊工艺制成， 因此， 是一种高效率、 低成本的 拼焊板。 点焊拼接板在焊接成本、 焊接效率和焊 接条件等方面所具有的突出优势应在国内汽车制造行业推广应用， 因此， 对点焊 拼接板冲压成形性能的理论研究，具有重要的理论意义和广阔的应用前景9 1 . 2拼焊板成形性能的研究现状 拼焊板是2 0 世纪6 0 年代日 本本田汽车公司利用边角小料做车身侧内 板而采 用的一项技术。2 0 世纪7 0 年代， 美国福特汽车公司采用激光焊接技术进行车身 钢板的拼焊，但未走向商业化。2 0 世纪 8 0年代， 社会对节能、环境、驾驶安全 性等要求越来越高， 拼焊板的应用也得到越来越多的关注并进入了高速发展阶段 no 1 . 2 . 1拼焊板及其特点 拼焊板是将两块或两块以 上具有不同机械性能、 镀层和厚度的板料焊接在一 起所得到的具有理想强度和刚度的轻型板料。 拼焊板焊接方式主要有激光焊、 滚 压电阻缝焊、电子束焊接、感应焊、等离子焊和气体保护钨极弧焊等等。目 前， 拼焊板在汽车制造业发达的国家己 被成功地用于内覆盖件、 外覆盖件和骨架件等 车 身 零 件 的 冲 压 生 产中 n u 不同种类的拼焊板， 其特点和优势并不完全相同， 最佳的应用环境和应用形 z 西北工业大学硕七学位论文 月巴口旦口组口.巨旦口曰巨目 式也各有不同， 但基于拼焊板自 身的 特点， 其应用于车身制造时有以下明 显的技 术优势 1 2 ) ( 1 ) 由 于在冲压变形前己 将各部件焊接在一起， 焊接残余变形基本消除， 可 以提高部件的整体精度和质量; ( 2 ) 拼焊板在冲压成形前进行拼焊或在轧制过程中进行焊接， 焊接工艺简捷， 焊接质量好; ( 3 ) 零部件整体化后，装配数量减小，安装程序简化; ( 4 ) 改善部 件抗冲击的能力， 焊接件的抗冲击能力要比组装件好; ( 5 ) 提高 材料利用率，降 低部件重量和材 料成本，充分发挥材料性能 潜力; ( 6 ) 提高了产品设计的灵活性，便于设计人员优化零部件设计。 1 . 2 . 2拼焊板力学性能研究现状 金属材料的力学性能指标硬化指数 n 、延伸率 a 、断面收缩率 z 、强度极限 r m 等均是在单向 拉伸实验条件下的指标，这些指标在机械制造行业中得到了 广 泛应用。 板材成形中， 在用于衡量其极限成形能力的各类参数计算时， 也大都沿 用了 这 些 数 据 1 3 1 目 前， 拼焊板力学性能研究主要有两种方法: 力学性能试验法和数值模拟法。 拼焊板的力学性能试验一般采用包括纵向或横向焊缝的拉伸试样。 为了测定 焊缝的力学性能， 可采用单轴拉伸小型试样， 试样截取应包括纵向 焊缝， 试样应 足够窄 ( 如1 -z m m ) ，以期能较真实地代表焊缝材料。 大量试验研究己经表明， 与传统单一钢板相比，由于焊缝附近热影响区的硬 化作用， 拼焊板的屈服强度和抗拉强度增加， 硬化指数和延伸率降低， 从而影响 到板材的冲压成形性能。 国内 外的模拟研究多集中在激光拼焊板及滚压电阻缝焊拼焊板的冲压成形 上 ，对焊缝及其热影响区在典型形状冲压成形过程中移动规律的研究已比较成 熟。 在拼焊板冲压成形数值模拟研究中， 焊缝处理是一个难点， 一般有两种策略: 一种是考虑焊缝和热影响区的尺寸、 形状及马氏体含量， 细分焊缝附近区域的有 限元网格， 精确地建立焊缝的模型; 另外一种是忽略焊缝类型， 只考虑焊缝位置， 西北工业大学硕七学位论文 月巴口旦口组口.巨旦口曰巨目 式也各有不同， 但基于拼焊板自 身的 特点， 其应用于车身制造时有以下明 显的技 术优势 1 2 ) ( 1 ) 由 于在冲压变形前己 将各部件焊接在一起， 焊接残余变形基本消除， 可 以提高部件的整体精度和质量; ( 2 ) 拼焊板在冲压成形前进行拼焊或在轧制过程中进行焊接， 焊接工艺简捷， 焊接质量好; ( 3 ) 零部件整体化后，装配数量减小，安装程序简化; ( 4 ) 改善部 件抗冲击的能力， 焊接件的抗冲击能力要比组装件好; ( 5 ) 提高 材料利用率，降 低部件重量和材 料成本，充分发挥材料性能 潜力; ( 6 ) 提高了产品设计的灵活性，便于设计人员优化零部件设计。 1 . 2 . 2拼焊板力学性能研究现状 金属材料的力学性能指标硬化指数 n 、延伸率 a 、断面收缩率 z 、强度极限 r m 等均是在单向 拉伸实验条件下的指标，这些指标在机械制造行业中得到了 广 泛应用。 板材成形中， 在用于衡量其极限成形能力的各类参数计算时， 也大都沿 用了 这 些 数 据 1 3 1 目 前， 拼焊板力学性能研究主要有两种方法: 力学性能试验法和数值模拟法。 拼焊板的力学性能试验一般采用包括纵向或横向焊缝的拉伸试样。 为了测定 焊缝的力学性能， 可采用单轴拉伸小型试样， 试样截取应包括纵向 焊缝， 试样应 足够窄 ( 如1 -z m m ) ，以期能较真实地代表焊缝材料。 大量试验研究己经表明， 与传统单一钢板相比，由于焊缝附近热影响区的硬 化作用， 拼焊板的屈服强度和抗拉强度增加， 硬化指数和延伸率降低， 从而影响 到板材的冲压成形性能。 国内 外的模拟研究多集中在激光拼焊板及滚压电阻缝焊拼焊板的冲压成形 上 ，对焊缝及其热影响区在典型形状冲压成形过程中移动规律的研究已比较成 熟。 在拼焊板冲压成形数值模拟研究中， 焊缝处理是一个难点， 一般有两种策略: 一种是考虑焊缝和热影响区的尺寸、 形状及马氏体含量， 细分焊缝附近区域的有 限元网格， 精确地建立焊缝的模型; 另外一种是忽略焊缝类型， 只考虑焊缝位置， 第t 章前言 月典旦旦绝，月口组照组口旦照照 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。 模 拟试 验显示: 在预测焊缝移动规律的 过程中，当 焊缝区没有较大的 局部 变形时， 采 用刚 性 连接 来处 理 最 能 体 现计 算 精度 和 计 算 效 率的 结 合。 当 然， 由 于 忽 略了 焊 缝几何形 状和 材料本构关系的 影响， 该方法对 焊缝附 近的 应力 应变分布 模拟不 够 精确 1 4 1 1 . 2 . 3拼焊板成形性能研究现状 制造高水平的拼焊板车身冲压件， 关键在于了解拼焊板在冲压成形中的变形 特点。 当前， 从研究对象来看， 以 拼焊板为对象的冲压工艺研究主要集中于激光 拼焊板， 针对缝焊拼焊板和点焊拼接板的研究较少; 从研究内容上看， 多采用以 焊缝及其热影响区在典型形状冲压成形过程中的移动规律为主要研究目 标， 研究 的手段多采用试验与有限元相结合的方法。 s h i m f 等 p 5 在 试 验结 果的 基 础上， 研究了 拼焊 板的 变 形问 题， 提出 了 用极 限厚度比和极限强度比的概念来描述拼焊板， 用以防止性能较差部分材料的应变 超出其极限应变值。 由于焊缝两侧金属的塑性变形不均匀， 使得由母材金属确定 的极限应变对于拼焊板来说是无效的。由于焊缝处的韧性比基体金属差，因此， 为了得到优良的成形性能， 建议焊缝的方向不宜平行于主应变方向。 控制此类拼 焊板成形过程的方法是使较厚或强度较高一侧金属有更多的变形， 从而能够避免 厚度较薄、强度较低一侧金属的局部集中变形。 s a u n d e r s f i 等 1 6 对拼 焊板进行了 胀形 试验， 结果发现由 相同 母材构 成的 激 光拼焊板的最大成形高度比母材低， 并发现拼焊板的成形性能受到焊缝方向和主 应变方向的影响。 s ie g e r t 等 !1 7 通 过 拉 伸 试 验 和液 压 深拉 深 试 验 研究了 压力 缝焊 拼 焊板 的 成形 极限图。试验结果表明拼焊板的韧性较单一板有所下降。 a z u m a k等 1 8 1研究了 拼焊板的 拉伸、 翻边和拉深行为。 单向 拉 伸时， 如果 焊缝与拉伸方向相同， 则焊缝强度是影响拼焊板强度的主要因素， 如果焊缝与拉 伸方向垂直， 则性能较差的母材是限制拼焊板强度的主要因素。 拉深时， 拼焊板 的极限拉深系数是构成拼焊板母材极限拉深系数的平均值。 翻边时， 翻边性能随 第t 章前言 月典旦旦绝，月口组照组口旦照照 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。 模 拟试 验显示: 在预测焊缝移动规律的 过程中，当 焊缝区没有较大的 局部 变形时， 采 用刚 性 连接 来处 理 最 能 体 现计 算 精度 和 计 算 效 率的 结 合。 当 然， 由 于 忽 略了 焊 缝几何形 状和 材料本构关系的 影响， 该方法对 焊缝附 近的 应力 应变分布 模拟不 够 精确 1 4 1 1 . 2 . 3拼焊板成形性能研究现状 制造高水平的拼焊板车身冲压件， 关键在于了解拼焊板在冲压成形中的变形 特点。 当前， 从研究对象来看， 以 拼焊板为对象的冲压工艺研究主要集中于激光 拼焊板， 针对缝焊拼焊板和点焊拼接板的研究较少; 从研究内容上看， 多采用以 焊缝及其热影响区在典型形状冲压成形过程中的移动规律为主要研究目 标， 研究 的手段多采用试验与有限元相结合的方法。 s h i m f 等 p 5 在 试 验结 果的 基 础上， 研究了 拼焊 板的 变 形问 题， 提出 了 用极 限厚度比和极限强度比的概念来描述拼焊板， 用以防止性能较差部分材料的应变 超出其极限应变值。 由于焊缝两侧金属的塑性变形不均匀， 使得由母材金属确定 的极限应变对于拼焊板来说是无效的。由于焊缝处的韧性比基体金属差，因此， 为了得到优良的成形性能， 建议焊缝的方向不宜平行于主应变方向。 控制此类拼 焊板成形过程的方法是使较厚或强度较高一侧金属有更多的变形， 从而能够避免 厚度较薄、强度较低一侧金属的局部集中变形。 s a u n d e r s f i 等 1 6 对拼 焊板进行了 胀形 试验， 结果发现由 相同 母材构 成的 激 光拼焊板的最大成形高度比母材低， 并发现拼焊板的成形性能受到焊缝方向和主 应变方向的影响。 s ie g e r t 等 !1 7 通 过 拉 伸 试 验 和液 压 深拉 深 试 验 研究了 压力 缝焊 拼 焊板 的 成形 极限图。试验结果表明拼焊板的韧性较单一板有所下降。 a z u m a k等 1 8 1研究了 拼焊板的 拉伸、 翻边和拉深行为。 单向 拉 伸时， 如果 焊缝与拉伸方向相同， 则焊缝强度是影响拼焊板强度的主要因素， 如果焊缝与拉 伸方向垂直， 则性能较差的母材是限制拼焊板强度的主要因素。 拉深时， 拼焊板 的极限拉深系数是构成拼焊板母材极限拉深系数的平均值。 翻边时， 翻边性能随 西北工业大学硕士学位论文 .目经组旦旦，旦里目.曰巨组旦 母材强度比的增加而降低。 c a y s s ia l s 等 19 在 塑 性 失 稳 理 论 的 基 础 上 提出 了 专门 应 用于 拼 焊板的 成 形 极 限曲 线， 并 结合 损伤模型 预测了 应变率敏感指数， 应变硬化指数和厚度等三个 基 本参数对成形性的综合影响。 国内 针对 拼 焊板的 研究 仍处 于 起步阶 段， 但 在工 程 应用方 面， 宝 钢 不 i - 一 些 轿 车 生 产厂 商己 经开 始 制 造和 应 用 拼 焊 板， 可以 预 计 在此 领域内 的 研究 将 成为 汽 车 制造行业的热点，并将成为钢铁行业产品深加工的重要方向 2 0 - 2 5 张 士 宏 等 2 6 - 3 2 1 通 过 试 验比 较了 激 光 焊 接 和自 动 氢 弧 焊 接 拼 焊 板的 焊 接 质 量， 比 较了 焊缝 处于 拉 伸试 样不同 位置时 拼 焊 板与 母 材的 拉 伸 试验结 果， 分 析了 焊 缝分 布对 拼焊 板塑 性变形 性能 的 影 响 ， 以 及如 何优化 焊缝 位置 来提高 拼焊板的 整 体 塑 性 变 形能 力 : 并 结 合 试 验 和f e m模 拟 研 究了 拼 焊 板 方 盒 件 拉 深 过 程， 分 析了 拉 深过 程中 焊 缝的 移 动规 律; 讨 论了 焊 缝方向 、 焊 缝 位置 和薄厚比 例等 对拼 焊 板塑 性拉 伸 变 形 性能 的 影响， 提出 了 冲 压件中 优 化焊 缝方向 和 位置的 建 议以 期 获得较高的拼焊板整体塑性变形能力。 阎 启 等 3 3 通 过 杯 突 试 验 、 极 限 拱 顶 高 、 扩 孔 试 验 认 为 随 被 焊 钢 板 厚 度 差 异 和 强 度 差 异的 增 加， 成 形 性能 会 有 较大 程 度的 降 低。 通过 成 形极限图 试验 研究 认为 冷 轧 钢板 激光 焊 接后， 其成 形 性能 较母 材有 所降 低， 激光 焊接的 成形 位置 应避 开 零部件变形的复杂部位。 张 福 祥 等 3 4 1推 导 了 单 向 拉 深 时 焊 缝 的 移 动 公 式 ; 通 过 试 验 和f e m模 拟 研 究 了 拼 焊 板方 盒 件 拉 深时 焊 缝的 移 动 规 律; 并 针 对不 等 厚 拼焊 板拉 延时 薄 侧 材料的 起皱和焊缝移动，提出了消除和控制的方法。 1 . 2 . 4拼焊板成形极限图研究现状 成形极限图是对板材成形性能的一种定量描述， 是解决板材冲压成形问题的 一个非常有效的工具， 同时也是对冲压工艺成败性的一种判断曲线。 冲压成形过 程中的大部分应变状态都可以在 f l d上得到反映，因此用作评价材料的冲压成 形性能即可信又直观。所以国内外近年来对 f l d 的研究不断深入，采用该方法 和指标衡量材料的成形性比其他实验和指标更广泛。 西北工业大学硕士学位论文 .目经组旦旦，旦里目.曰巨组旦 母材强度比的增加而降低。 c a y s s ia l s 等 19 在 塑 性 失 稳 理 论 的 基 础 上 提出 了 专门 应 用于 拼 焊板的 成 形 极 限曲 线， 并 结合 损伤模型 预测了 应变率敏感指数， 应变硬化指数和厚度等三个 基 本参数对成形性的综合影响。 国内 针对 拼 焊板的 研究 仍处 于 起步阶 段， 但 在工 程 应用方 面， 宝 钢 不 i - 一 些 轿 车 生 产厂 商己 经开 始 制 造和 应 用 拼 焊 板， 可以 预 计 在此 领域内 的 研究 将 成为 汽 车 制造行业的热点，并将成为钢铁行业产品深加工的重要方向 2 0 - 2 5 张 士 宏 等 2 6 - 3 2 1 通 过 试 验比 较了 激 光 焊 接 和自 动 氢 弧 焊 接 拼 焊 板的 焊 接 质 量， 比 较了 焊缝 处于 拉 伸试 样不同 位置时 拼 焊 板与 母 材的 拉 伸 试验结 果， 分 析了 焊 缝分 布对 拼焊 板塑 性变形 性能 的 影 响 ， 以 及如 何优化 焊缝 位置 来提高 拼焊板的 整 体 塑 性 变 形能 力 : 并 结 合 试 验 和f e m模 拟 研 究了 拼 焊 板 方 盒 件 拉 深 过 程， 分 析了 拉 深过 程中 焊 缝的 移 动规 律; 讨 论了 焊 缝方向 、 焊 缝 位置 和薄厚比 例等 对拼 焊 板塑 性拉 伸 变 形 性能 的 影响， 提出 了 冲 压件中 优 化焊 缝方向 和 位置的 建 议以 期 获得较高的拼焊板整体塑性变形能力。 阎 启 等 3 3 通 过 杯 突 试 验 、 极 限 拱 顶 高 、 扩 孔 试 验 认 为 随 被 焊 钢 板 厚 度 差 异 和 强 度 差 异的 增 加， 成 形 性能 会 有 较大 程 度的 降 低。 通过 成 形极限图 试验 研究 认为 冷 轧 钢板 激光 焊 接后， 其成 形 性能 较母 材有 所降 低， 激光 焊接的 成形 位置 应避 开 零部件变形的复杂部位。 张 福 祥 等 3 4 1推 导 了 单 向 拉 深 时 焊 缝 的 移 动 公 式 ; 通 过 试 验 和f e m模 拟 研 究 了 拼 焊 板方 盒 件 拉 深时 焊 缝的 移 动 规 律; 并 针 对不 等 厚 拼焊 板拉 延时 薄 侧 材料的 起皱和焊缝移动，提出了消除和控制的方法。 1 . 2 . 4拼焊板成形极限图研究现状 成形极限图是对板材成形性能的一种定量描述， 是解决板材冲压成形问题的 一个非常有效的工具， 同时也是对冲压工艺成败性的一种判断曲线。 冲压成形过 程中的大部分应变状态都可以在 f l d上得到反映，因此用作评价材料的冲压成 形性能即可信又直观。所以国内外近年来对 f l d 的研究不断深入，采用该方法 和指标衡量材料的成形性比其他实验和指标更广泛。 第 1 章前言 月里绝旦旦旦里困里绝里巴皿曰曰. 成形极限图通常是通过钢模胀形试验测得。 在成形极限图中， 各种不同变形 方式的应变分布是不相同的， 具体体现在成形极限图的左、中、 右部分， 通常将 其简单地分类为板材冲压过程中的拉深、 平面应变和胀形等三种变形方式。 对于 不同的 变形方式， 冲压件上 的 应力应变分布不同。 利用成形极限图可以 预测符合 各种变形特点的材料性能3 5 成形极限图的实验方法虽 然经过多年、 大量的 研究， 但鉴于影响成形极限图 测定的实验条件很多， 所得到的实验数据一般较分散， 尤其是实验工作量很大， 因 此在 工 厂实 际 应用中 受 到 很 大的 限 制 3 6 . 也 有 许多 科 技工 作者 对 理论 成 形 极限 图进行了 大量研究，一方面是基于连续介质力学的 成形极限预测，代表性的有 h i l l 集中 性失 稳理论和s w i ft 分散性失稳理论;另一方面，近年来， 基于损伤力 学的迅速发展， 一些研究者开始用损伤的思想和方法来研究金属板材的失稳和断 裂过程，并计算成形极限应变，代表性的模型有m- k理论等。 s w i ft分散性失 稳理论认为， 在单向 拉伸试验中，当外加拉力p 达到最大值 时， 材料经过稳定的 均匀变形后， 会在一个较宽的区域内发生亚稳定流动， 即材 料承载能力的薄弱部位会在一个较宽的变形区域内交替转移，出现区域性颈缩， 从而产生分散性失稳。 分散性失稳标志着材料均匀变形阶段的结束， 继续变形的 潜力已经不大，所能承受的载荷不再增加。 h i l l 集中 性失稳理论认为， 由于分散性失稳亚稳定流动的发展， 材料承载的 薄弱环节开始固定在变形区的某一狭窄区域内而无法转移出去， 从而形成集中性 颈缩。 集中性失稳发生后， 材料不能继续变形， 板料会因局部细颈的很快发展而 被拉断。 m a r c i n i a k 和 k u c z y n s k i 从材料损伤角度提出了 沟槽假说， 简称m - k理论。 m- k理论认为，由于受载板料的物理性质或者板厚存在不均匀性， 变形时在垂 直于 最大主 应力的 方向 上 会发 展成为凹 槽， 槽内 的 应变比d