高温条件下DP780的成形性能仿真研究

以DP780钢为研究对象,利用MT5105试验机在400～600℃温度区间内进行单向热拉伸实验。基于Norton-Hoff模型建立了表征DP780在高温条件下流变特性的塑性本构方程,并采用热力耦合方法,利用ABAQUS软件进行了U形件的冲压仿真分析研究。结果表明:在高温条件下,双相钢的流变应力明显降低,塑性增强,并且随温度升高,最小厚度值越来越小,回弹量角度越来越小,凸模力变化越明显;在冲压过程中,受变形热及摩擦热的影响,板料的温度并非持续降低;综合考虑多方因素影响,得出500℃为DP780较为合适的成形温度。     

先进高强钢DP780板料的温成形极限预测研究

为准确预测DP780钢板料在温成形条件下的成形极限曲线,将韧性断裂预测模型引入到数值模拟.基于DP780钢板料在温度范围573 K～873 K、应变率范围6.67× 10-4s-1～6.67×10-3s-1的单向拉伸试验结果分析,利用强塑积指标确定了温度为673 K、应变率为3.33× 10-3s-1条件下材料的温冲压成形性能较好.通过该变形条件下的简单拉伸试验和数值模拟,确定了影响DP780钢板料韧性断裂的主要因素.建立了可以预测DP780钢板料在不同应变路径下发生拉伸型断裂和剪切型断裂两种断裂机制的韧性断裂预测模型,并与温成形本构模型、Hill'48屈服准则相结合实现了刚模胀形试验的数值模拟,预测了DP780钢板料在温度为673 K下的成形极限曲线,并建立了成形极限数学模型.结果 表明,利用该方法预测的成形极限结果拥有较好的精度.     

AM60镁合金Johnson-Cook本构方程的修正及冲压有限元模拟

利用Gleeble-3500型热模拟机对AM60镁合金板进行热拉伸试验，研究了镁合金在变形温度200～350℃、应变速率0.01～0.1 s^-1下的热变形行为；对Johnson-Cook方程应变硬化部分进行修正并考虑应变速率和变形温度的耦合效应，基于热拉伸试验数据建立了修正Johnson-Cook本构方程，利用该方程进行冲压有限元模拟，并进行了试验验证。结果表明：AM60镁合金的流变应力与应变速率呈正相关，与变形温度呈负相关；采用修正Johnson-Cook本构模型预测得到AM60镁合金冲压真应力-真应变曲线与试验结果吻合较好，最大相对误差为18.28%,相比于未修正模型降低了57.61%;模拟得到200～350℃下冲压成形的筒形件成形良好，无表面缺陷，与试验结果一致。     

40Cr调质钢高速冷滚打热力耦合数值模拟

在分析高速冷滚打成形原理的基础上,建立了热力耦合数学模型,通过常温和高温下不同应变速率的静态和动态压缩试验,结合Johnson-Cook流动应力公式,建立了40Cr调质钢的本构模型;利用有限元软件对40Cr调质钢高速冷滚打成形进行数值模拟,在考虑加工硬化与动态软化的综合效应下,获得了工件应力、应变和温度的分布,探讨了冷滚打成形过程中热力耦合形成的原因及成形速率对热效应的影响,并用试验进行了验证。结果表明:工件的温度分布和等效塑性应变分布是不均匀的,剧烈应变区的等效塑性应变高,温升高,难变形区的等效塑性应变低,温升低;试验结果证明了模拟分析的正确性。     

高强度钢板热成形热、力、相变数值模拟分析

在已建立的高强度钢板热成形热、力、相变多场耦合本构模型和板料、水冷模具相互耦合的接触热传导模型基础上,基于自主开发的商业化金属成形CAE软件KMAS(King-Mesh analysis system)构建热成形热、力、相变耦合的非线性、大变形静力显式数值模拟模块。对典型U形高强度钢板的热成形过程进行数值模拟分析;计算板料与模具相互耦合的温度场变化规律,并将钢板组织相变释放的潜热考虑其中;将温度场计算结果引入热成形热、力、相变多场耦合的本构方程和静力显式有限元列式中,计算钢板等效应力和组织相变分布变化规律。通过钢板温度场以及马氏体转变量数值模拟结果与试验结果的一致性对比,验证建立的多场耦合本构模型和KMAS热成形仿真模块的正确性和有效性。     

Thermo-mechanical-martensitic Transformation Numerical Simulation of High Strength Steel in Hot Forming

在已建立的高强度钢板热成形热、力、相变多场耦合本构模型和板料、水冷模具相互耦合的接触热传导模型基础上,基于自主开发的商业化金属成形CAE软件KMAS(King-Mesh analysis system)构建热成形热、力、相变耦合的非线性、大变形静力显式数值模拟模块.对典型U形高强度钢板的热成形过程进行数值模拟分析;计算板料与模具相互耦合的温度场变化规律,并将钢板组织相变释放的潜热考虑其中;将温度场计算结果引入热成形热、力、相变多场耦合的本构方程和静力显式有限元列式中,计算钢板等效应力和组织相变分布变化规律.通过钢板温度场以及马氏体转变量数值模拟结果与试验结果的一致性对比,验证建立的多场耦合本构模型和KMAS热成形仿真模块的正确性和有效性.     

基于连续介质损伤力学的高强度钢板热成形性数值预测

基于连续介质损伤力学模型,建立耦合损伤的热成形本构方程。将该本构方程引入到自主开发的金属成形有限元软件KMAS中,从而可对高强度钢板在热成形过程中的损伤演化及成形性能进行预测。本构方程中与温度及应变率相关的损伤参数控制着热成形过程中的损伤演化,对成形性数值预测具有重要的意义。为标定本构方程中的损伤参数,进行不同温度及应变率下的等温热拉伸试验,并对拉伸过程进行数值模拟,通过优化对比数值计算和试验所得的力-位移曲线,获得了不同温度及应变率下的损伤参数。随后将损伤参数引入KMAS中,对一款典型汽车B柱在热成形过程的成形性进行数值预测,并与试验结果进行对比,结果证明了所建立耦合损伤本构方程的正确性。     

基于热-力耦合和变摩擦因数的高强钢冷冲压成形性

测定了DP780高强度双相钢在不同温度下的摩擦因数,建立了变摩擦因数模型,研究了热-力耦合和变摩擦因数对室温冷成形的影响。结果显示,热变组仿真分析 部分区域温度明显升高,相比参照组相同区域,板料减薄程度更小,不易开裂,表现出更好的延展性。从回弹偏移量看,热变组的值比冲压实验测量值偏小,而参照组的值偏大,且相比冲压实验测量值的误差,热变组仅为参照组的27.8%,与冲压实验符合度更好。     

先进高强双相钢DP780温度相关应力-应变关系

为了研究先进高强度双相钢DP780的温热成形力学行为,通过不同温度(300℃、400℃、500℃、600℃)及不同应变率(10^-4～10^-3 s^-1)下的单向温拉伸试验获得了先进高强度双相钢DP780在相应条件下的基本力学性能指标和应力-应变曲线,并对试验结果进行了分析;为描述温热成形DP780板料应力-应变曲线,求解、修正了Grosman本构模型的相关参数;以单向拉伸试样为例,基于Fortran语言通过编写Abaqus-Vumat子程序进行了数值模拟验证。结果表明,所用Grosman模型预测值与试验数值拟合较好,验证了所求模型的有效性。     

基于高速等温压缩试验构建普碳钢考虑温度弹跳的热变形本构方程

采用Gleeble3500型热模拟试验机,通过高速等温压缩试验所得的流变应力曲线以及温度变化曲线构建了传统热变形本构方程和考虑温度弹跳的热变形本构方程,并将它们与实测值进行对比,研究了普碳钢在热压缩变形过程中的温度弹跳以及其对构建本构方程精确度的影响。结果表明:在高速压缩过程中,由塑性功导致的温度弹跳使温度已严重偏离设定值,由塑性功转化热造成的温升与真应变呈线性关系,线性系数与设定的变形温度有关;构建的考虑温度弹跳的热变形本构方程比传统热变形本构方程的预测精度更高。     

热冲压过程传热耦合研究*

提出一种新的思路解决热冲压过程的传热耦合模拟。板料和模具之间的界面传热系数借助圆柱形冲压试验数据并通过有限元优化反算的方法获得,将获得的界面传热系数(Interfacial heat transfer coefficient, IHTC)引入到ABAQUS的U形冲压模型中,进行单次热冲压模拟,得到一个冲压周期内模具表面任意节点的热流密度曲线。通过调用SAS程序求得模面任意节点对应的时均热流密度,将每个节点的时均热流密度和笛卡儿坐标系下的空间坐标对应关系引入到STAR-CCM+中作为模具淬火传热模拟的第二类边界条件。接着通过网格数据映射将稳态淬火模拟得到的模具温度场,水道壁表面传热系数(Film heat transfer coefficient, FHTC)和壁面冷却水温度重新导入到ABAQUS的冲压模型中进行新的热冲压模拟,此时的热冲压过程即同时实现板料-模具的界面传热和模具-水流的表面传热的稳态模拟。设计并制造仿真中使用的U形模具进行连续热冲压试验,采集特征点的稳态温度,与仿真结果进行对比。结果表明：耦合后的板料和模具的最大温度和未耦合的单次冲压相比升高近一倍,温度分布沿着水道进口向出口方向发生迁移。耦合后的板料和模具特征点温度与达到稳态的试验采集温度误差均小于10%。     

A 3-D finite element method for non-isothermal sheet-forming processes

In sheet forming of ductile materials, the forming limit and strain distribution are governed by plastic instability and fracture following strain localization. A number of phenomena influence the localization process, including the best-known plastic properties of strain hardening, strain-rate sensitivity and yield-surface shape. The temperature gradient caused by deformation heating, heat transfer, and friction between sheet and tools also controls strain localization. In this paper, a numerical method for analyzing the non-isothermal, rigid-viscoplastic deformation of sheets is presented. The method consists of two parts: a rigid-viscoplastic finite element model (FEM) to solve the plastic deformation, and transient heat transfer FEM to evaluate the temperature change throughout the specimen during the deformation process. Bishop's step-wise decoupled method is adopted to handle coupling between mechanical deformation and the temperature change. Using this method, the effect of temperature distribution on strain patterns was investigated. As illustrative 3-D examples, hemispherical punch-stretching and square punch-stretching operations have been analyzed, including deformation heating, frictional heating, heat transfer to tooling and air, and internal heat conduction in the workpiece. The role of temperature gradients is revealed by examination of the simulation results.     

热冲压硼钢B1500HS高温本构方程的研究

硼钢的高温本构方程是热冲压数值模拟不可缺少的数学模型,它反映了流动应力与应变、应变速度以及温度之间的依赖关系。为了研究热冲压硼钢B1500HS高温时的流变力学行为,采用Gleeble 1500D热模拟试验机,在600～900℃温度区间,分别以0.01 s–1、0.1 s–1、1.0 s–1、10 s–1的应变速度对硼钢B1500HS试样进行等温单向拉伸试验,计算得到各相应测试条件下的正应力—应变曲线。采用包含变形激活能和变形温度的双曲正弦形式修正的Arrhenius关系来描述硼钢奥氏体组织的热激活变形行为。通过对试验数据进行拟合回归分析,得到与应变量相关的各材料参数,以及与应变速度、变形温度相关的流变应力关系式。试验结果显示,流动应力随着变形温度的降低而增大,随着形变速度的升高而增大。计算结果表明:流变应力关系式的计算结果与试验数据的吻合度较好。     

TNTZ钛合金流变行为及物理基本构模型

借助Gleeble-3500热模拟机对Ti-29Nb-13Ta-4.5Zr(TNTZ)钛合金进行了变形温度为700~900 ℃、应变速率为0.001~1 s-1的等温恒应变速率压缩实验,分析了应变速率和变形温度对TNTZ钛合金流变应力的影响。根据实验数据,计算了不同变形条件下的温升值,分析了变形热产生的规律。综合考虑温度对材料自扩散系数和弹性模量的影响以及应变对合金流变应力的影响,通过多元线性回归拟合材料参数与应变之间的函数关系,构建了基于应变补偿的物理基本构模型。研究结果表明：TNTZ钛合金的流变应力随应变速率的增大而增大,随变形温度的升高而减小;变形热效应引起的温升与应变速率正相关,与变形温度负相关。通过应变补偿建立的物理基本构模型预测精度较高,模型相关系数R达0.964,平均相对误差为10.63%。     

惯性摩擦焊接钢管焊合区热塑性变形参量场的数值分析

根据金属塑性成形过程的大变形热弹塑性理论和虚功原理 ,建立了惯性摩擦焊接过程温度场、应力场及应变场的有限元热力耦合分析计算模型和有限元列式 ,并在给定边界条件下 ,解算了 34 Cr Mo4钢惯性摩擦焊接头动态温度场、应力场及应变场     

22MnB5超高强钢热冲压成形工艺及试验

考虑材料的热物理性能参数、力学性能与温度的关系,利用ABAQUS软件建立了22MnB5超高强钢热冲压过程的热力耦合有限元模型,选用合适的热冲压工艺参数进行数值分析,得到了坯料热冲压成形的应力应变分布,并以板料初始温度为变量,研究不同初始温度对零件厚度分布、回弹及冷却速率的影响。进行了板料初始温度为900℃的22MnB5超高强钢热冲压试验,零件厚度分布及回弹量与模拟结果基本吻合,各区域淬火组织均为板条状马氏体,由于零件底部的淬火冷却速率较大,马氏体组织更加均匀细小。     

耦合温度效应晶体塑性的TWIP钢变形行为研究

为探究TWIP钢高温条件下的塑性变形机理,建立了耦合温度效应的晶体塑性本构模型,考虑温度对TWIP钢滑移和孪生的影响,提出了耦合温度效应的流动法则和硬化法则。结合在500 ℃和750 ℃条件下的原位SEM高温拉伸试验,建立了描述TWIP钢热变形过程的晶体塑性有限元模型。模拟获得不同温度条件下的应力应变曲线、应变硬化率和孪晶体积分数与试验结果相吻合,验证了该模型的正确性。进而,基于所建立的模型研究了温度对TWIP钢塑性变形过程滑移、孪生演化及应变硬化过程的影响规律,结果表明：滑移阻力、孪生阻力和应变硬化率随温度的升高呈不均匀降低的趋势,且断后伸长率呈现降低的趋势,由25 ℃时53.4%降低至750 ℃时16.5%。同时,随温度升高,孪生受到抑制,但滑移受温度的影响较小,表现为滑移主导的塑性变形机制。     

冲压、回弹及应变速率对双相钢成形件碰撞性能影响的模拟

针对冷轧镀锌双相钢板,在完成U型梁冲压成形及回弹模拟分析的基础上,建立了闭口帽型梁的碰撞分析模型;采用映射的方法完成了U型梁的厚度、应力、应变向碰撞结构件的结果传递;在考虑冲压成形、回弹及应变速率等的情况下,对帽型梁的碰撞过程进行了模拟分析。结果表明:在碰撞过程中,由于应变速率较高,它的影响最为明显,在模型的定义过程中需要着重考虑;因为金属变形过程的加工硬化和厚度减薄等因素的影响,冲压结果直接影响碰撞过程的模拟结果;冲压后因回弹使零件内部的应力得到释放,残余应力减小,因此导致碰撞过程中产生相同的变形需要更大的外力,考虑回弹的刚性墙反力要比没有考虑时的高。     

[成形过程仿真优化与集成计算材料工程]钛合金热成形工艺形变与组织演变耦合多尺度仿真研究进展

讨论了钛合金高温变形晶体塑性有限元模拟的研究进展,并分析了晶体塑性模型在钛合金细观尺度不均匀变形和组织演化方面的应用;围绕钛合金热成形过程变形与组织演变耦合模拟需求,讨论了钛合金高温成形统一黏塑性本构模型的发展过程,并介绍了统一黏塑性本构模型在钛合金热成形工艺的应用实例。统一黏塑性本构模型考虑了钛合金高温变形过程中回复、再结晶、相变、损伤等组织演变行为与宏观应力应变之间的耦合作用,为实现钛合金构件形状尺寸和组织性能的精确预测和成形工艺优化提供了有效的手段。最后分析了钛合金热成形工艺多尺度建模仍存在的问题,并展望了多尺度建模的发展趋势。