高强钢轧制变厚度板热冲压成形破裂预测及其回弹研究

由于高强钢TRB热冲压件具有较好的减重优势，在汽车轻量化领域具有广泛的应用前景。通过Gleeble3500热拉伸试验机在不同温度和应变速率下对不同厚度的B1500HS钢板进行不同应变形式下的应力应变曲线测定，并基于曲线拟合建立高强钢TRB材料本构关系模型；同时利用混合法在Lemaitre韧性断裂准则的基础上获得了适用于高强钢热成形的韧性断裂准则。然后，通过二次开发将其应用于高强钢TRB热冲压成形过程的破裂预测。 为了研究高强钢TRB热冲压件的回弹规律，设计了高强钢TRB热冲压模具，并进行了高强钢TRB热冲压过程仿真分析。通过数值模拟和试验研究，获得了工艺参数对高强钢TRB热冲压成形回弹的影响规律，验证了设计的高强钢TRB热冲压模具满足成形件的性能要求，并获得了高强钢TRB热冲压合适的工艺参数。高强钢TRB热冲压成形技术研究为高强钢TRB在汽车轻量化领域的应用奠定了理论基础且对生产实践具有指导意义。 2100433B

对现代汽车提出节能减排和安全性的双重要求，使汽车轻量化的目标也越来越高。高强钢轧制变厚度板（TRB）热冲压件具有突出的减重优势，将会在现代汽车领域得到广泛应用。 TRB的变截面使得以往基于等截面的力学以及热冲压成形理论无法适用，其冷成形的相关理论在热冲压成形时亦不能适用。本研究拟采用Gleeble3500热模拟试验机进行高强钢TRB等温拉伸实验，建立其高温下的本构关系，基于Lemaitre损伤理论建立其热成形韧性断裂准则。通过理论分析、数值模拟和工艺试验相结合的方法深入研究高强钢TRB汽车B柱热冲压成形破裂机理和工艺参数对其热冲压成形回弹的影响规律，并研究其回弹补偿机制。通过该项目的研究，探索高强钢TRB的热冲压成形性能及其热冲压模具的设计理论，为高强钢TRB热冲压件在现代汽车领域的应用奠定理论基础。对于国产板材的开发利用、提高国产板材的市场竞争力、振兴钢铁和汽车工业，具有重要战略意义。

边缘破裂是金属板料冲压成形中一类常见的破裂现象。破裂边缘应力状态与单拉应力状态相似，但其极限应变并不与单拉应变极值相符。成形极限图对于大多数成形工艺都是适用的，但并不足以预测潜在的边缘破裂。对于第一代先进高强钢，已有的研究成果从工艺参数和微观结构方面实验观察了对扩孔率的影响，但并未明确其机理，也并未建立相关联的预测准则；对于第三代先进高强钢边缘断裂问题的研究尚未开展。本课题从微观结构参数入手，研究先进高强钢边缘断裂的诱发机理，分析材料性能参数、微观结构参数、断面质量、工艺参数、几何特征参数以及加载路径对边缘破裂的影响，观察温度、导热性、应变速率、预变形对受剪切变形影响区域材料微观结构的影响，提炼对边缘拉伸变形性能具有决定性影响因素的参数,基于连续介质力学建立先进高强钢边缘破裂的预测判据并与CAE软件相结合形成成形极限补充判据。研究成果将有助于阐明边缘破裂的产生机理，提高其数值模拟预测精度。

本项目针对边缘破裂问题开展了一系列的实验和理论研究，通过进行单向拉伸、冲孔、扩孔和胀形实验，对各工艺下破裂试样的断口形貌进行观察，分析了先进高强钢成形过程中破裂的类型及特征，定性及定量比较了不同材料在相同工艺条件下、同种材料在不同工艺条件下的断口形貌差异，以期进一步了解破裂的机理与规律；通过进行预变形、扩孔和高温单拉实验，探究预变形、曲率半径和冲裁热效应对高强钢边缘拉伸性能的影响；针对先进高强钢的边缘破裂提出了新的预测模型，可以改善传统理想模型无法准确预测边缘破裂的问题。主要研究成果如下： （1）单向拉伸试验中DP590、DP780、DP980的断裂模式为韧窝型韧性断裂，MS1180和MS1300的断裂模式为介于韧窝断裂和解理断裂之间的准解理型断裂。冲孔实验中DP钢随着强度级别的升高，断裂带越来越光滑；对于MS1180和MS1300，断裂带由非常细小的拉裂韧窝组成，MS1180平均韧窝直径大约1.6μm，MS1300平均韧窝直径大约1.2μm。扩孔实验中五种高强钢破裂模式均为韧窝型韧性断裂，随着钢板强度级别的升高，平均韧窝直径减小，韧窝密度先增大后减小。在胀形实验中，DP780和DP980的断裂模式均为韧窝型韧性断裂。 （2）预变形导致的加工硬化会明显影响板料边缘的拉伸性能，且预变形量越大边缘拉伸性能越差。3%-9%的预变形量使DP780扩孔率下降约6%-12%； 0°方向3%-9%的预变形量使DP980扩孔率下降约5%-11%；90°方向预拉伸对DP980扩孔率的影响较小，扩孔率下降了约3%。 （3）对同种材料，边缘的曲率半径越小，拉伸性能越差。DP780孔径为15mm的扩孔率比孔径为9mm的扩孔率高5.09%；DP980孔径为15mm的扩孔率比孔径为9mm的扩孔率高6.26%。此外，DP980边缘成形性能对曲率变化的敏感程度要大于DP780。 （4）冲裁变形区的温度变化对薄板冲裁断面质量影响较小。 （5）基于M-K模型和Hill颈缩理论建立了新的有限元模型，适用于考虑冲裁损伤的边缘成形极限预测。通过冲孔和扩孔实验验证了新模型在预测边缘成形性能方面的优越性。 （6）引入法向应力，与M-K理论相结合，获得了能考虑法向应力影响的成形极限模型，法向应力提高应力和应变空间内描述的材料的成形极限，双线性应变路径下法向应力的作用阶段对材料的成形极限有显著的影响。 2100433B

系统研究具有减振、降噪特性的复合减振钢板(Sandwich Sheet Metal)拉深成形过程三层材料(两侧为金属板，中间为非金属连接材料)的变形机制和各种缺陷的演化机理，根据试验结果研究建立适用于减振钢板拉深成形过程的界面连接与接触模型、起皱分离模型、成形极限图和回弹预测方法，实现对减振钢板成形过程的数值模拟。通过与试验结果比较和改进，使提出的计算模型可准确模拟减振钢板拉深等冲压成形工艺。利用基于物理实验和数值模拟的灵敏度分析方法，揭示材料性能和关键工艺参数对减振钢板成形质量的影响规律,并建立缺陷控制的方法。研究成果将对控制减振钢板的冲压成形质量，进一步扩大减振钢板在制造业的应用范围，具有重要的理论意义和应用价值。