板料冲压成形破坏判断准则的研究进展

第47卷第4期 2011年2月 机械工程学报 JOURNAL0FMECHANICALENGINEERING V01．47No．4 Feb． 2011 DoI：10．3901／JME．2011．04．023 板料冲压成形破坏判断准则的研究进展木 黄晓忠 陈劫实 陈 军 (上海交通大学模具CAD国家工程研究中心上海200030) 摘要：分析板料冲压成形中有无明显集中缩颈的韧性破裂、剪切破裂判断准则的研究现状。比较成形极限图以及韧性破裂准 则在判断板料破坏中各自的优缺点。针对当前有限元分析软件中的破坏准则用于判断板料局部小特征弯曲强化的成形极限或 是先进高强钢板在缩颈前产生剪切破裂等问题所存在的局限性，综述上述特殊问题的研究进展。提出建立沿横、纵两个方向 拉伸弯曲下的极限判据对于预测板料局部小特征弯曲的成形极限将更有普遍意义。同时有必要迸一步研究先进高强钢板成形 的剪切破裂机理，并建立可以有效预测先进高强钢板剪切破裂的有限元模拟失效判据。研究板料成形的上述破坏问题及其判 断准则，对于丰富与发展塑性成形理论和指导实际生产具有荸要的理论意义和工程应用价值。 关键词：冲压成形成形极限韧性破裂集中缩颈弯曲强化剪切破裂 中图分类号：TG386．41 ReViewonFractureCriterionofSheetMetalForming HUANGXiaozhongCHENJieshiCHENJun (NationalEnginee凼gResearchCenterofDie&MoldCAD，Shan曲ajJiaoTongUniVers咄Shan曲ai200030) Abstract：Critcrionsofductilef-ractIlre(withor、】lritlloutobviouslocalizednecking)柚dshearfhcmreofsheetmetalfonningare a∞lyzedrespectiVely．Advantagesanddisadvantagesoffo册inglimitdia孕铷【ns姐ddllctile触ctIlrecriterionsa11ealsoco唧ared．The researchprogressonbending-即lh她ccdfom：1inglimitwimtightfeatllrcs勰dshear胁ctureocc嘶ngbefbreneckingofadv孤ced high-s咖gmsteels(AHSS)aremainlyamlyzed．These铆opmblemsc锄’tbcpredictedexactlybyⅡleconventional伽l眦e criterionsembeddedinf．血teelementanalysissoRware．Thepaperpresentsthatitwillbemoreunive璐aUysignificanttopredict bending-enhancedfomiIlgliⅡlitwimtightfeatureswhenbendingisass啪edalongthe仃ansverse&longitIldinalp咖cipleloading dhctionrcspectively．Anditisalsonecessa巧tostlldytheshearf．mctIlremechanismofAHSStodevelopafailurecri蜘onthatc锄 be璐edinfin沁elem钮tsimulation．Itwillhelpt0developtllepI嚣石cf0皿iIlgtheo叮锄dguide也eeIlgi薹le∞hg叩plications． Keywords：St啪pingFominglirnitDuctile触ctureLocalizednecbngBending-eIlh锄cedShear仔actllre O前言 有限元分析软件后处理模块中的“成形极限 图”一般用于判断板料在某一冲压成形过程中是否 破坏。然而，当对某些带有小圆角或小凹坑的板料 成形进行有限元分析之后，成形极限图上会清晰地 表明，这些小圆角或者小凹坑处的应变值处于成形 极限曲线的上方，即这些小特征处的材料已经破裂。 但在同样条件下对该薄板进行试验研究，却发现成 形件的小特征处因弯曲而提高成形极限，从而一定 程度上延缓了板料成形的破裂。另外，当对某些先 ·国家科技重大专项(2009zx04013-031)和国家自然科学基金 (51075269)资助项目。201005ll收到初稿，20101020收到修改稿 进高强钢板进行拉弯成形时，板料会在缩颈之前突 然出现剪切破裂，而对应的数值模拟结果成形极限 图显示，与实际产生剪切破裂对应部位的应变值并 没有超过成形极限曲线上的应变值，处于没有发生 失稳的安全区域。这些说明了，对于板料因局部小 特征弯曲而出现强化效应或是板料在缩颈前产生剪 切破裂等特殊问题，采用当前被广为应用的成形极 限判据将存在很大的局限性。因此，研究上述板料 冲压成形的特殊问题，并提出能使得数值模拟预测 结果和实际相吻合的相应破坏判断准则，对于丰富 与发展塑性成形理论和指导实际生产具有重要的理 论意义和工程应用价值。 破裂可以分为韧性破裂和脆性破裂。而韧性破 裂又可以根据发生明显缩颈失稳与否分为有集中缩 万方数据 24 机械工程学报 第47卷第4期 颈的韧性破裂和没有明显缩颈的韧性破裂，这两者 所采用的破坏判断准则不同。前者一般采用成形极 限图判断，而后者一般采用经典的韧性破裂准则予 以评定。鉴于剪切破裂属于一种特殊的脆性破坏现 象，故本文仅就有集中缩颈的韧性破裂、没有明显 缩颈的韧性破裂、剪切破裂判断准则的国内外研究 现状分别进行综述。 1有集中缩颈的韧性破裂判据 1．1基于应变的成形极限图 有集中缩颈的韧性破裂是金属薄板冲压成形 过程中最常见的失效形式之一。在实际中，基于工 件结构和美观方面的考虑，一般取开始发生明显集 中缩颈的点为理想破坏临界点。在板料成形过程中， 人们需要知道板料发生拉伸失稳的时间和位置，从 而建立相应的破坏判断准则，以在进行成形加工之 前采取措施，避免破坏的产生。成形极限的提出满 足了这种需要。20世纪60年代KEELE耐卜z】和 GoODwIN【3】等在试验基础上分别建立了板料在拉． 拉和拉．压加载条件下的基于应变的成形极限图 (Strain-b弱edf-omingliInjtdia伊锄，FLD)。该FLD 由板面内主、次应变表示，直观反映了板料在一定 变形方式下、在某一局部缩颈危险区域发生塑性失 稳前所能达到的极限变形程度。由试验确定的成形 极限曲线(FonIlinglimitcurve，FLC)是FLD的主要特 征。当板料某部位的应变值达到FLC上的值时，板 料开始发生集中缩颈失稳。多年来，许多研究者对 FLD进行了不断完善，取得了大量研究成果。FLD 亦因应变测量直接、方便而被广泛用于评定板料成 形的集中缩颈失效和确定危险点的位置，在优化模 具 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、控制产品质量等方面发挥了重要的指导作 用。目前，DⅥ叮AFOI己M、LS．DⅥ、IA等有限元分析 软件都将FLD作为板料成形失稳的主要判据。 由于FLD一般是在线性加载或近似线性加载情 况下得到的，因此FLD可以很好地预测简单加载路 径下的板料成形极限。然而，当面对一些“因应变 路径受几何边界条件和摩擦条件的限制而明显偏离 线性路径、加载方向发生变化”的复杂加载成形或 多道次成形时，FLD预测将可能不准确卜引。 KLEEMOLA等【oJ对钢、铜和黄铜进行了拉深．翻边 多道次成形试验研究，发现FLC的形状和位置与预 变形、应变路径相关。G凡虹等【7J对2008．T4在15种 不同的预应变双拉路径下得到的FLD进行了研究。 研究结果也表明，在不同的应变路径下，同～种板 料FLC的形状与位置会发生不 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 漂移，即FLD与 加载路径密切相关。国内曹宏深Ml对FLC在线性复 合变形路径下的几何偏移、旋转和收缩等异变进行 了分析，指出，板料在线性复合变形路径下成形时， 不仅变形路径或变形路径的特征数值变化影响最终 的FLD，变形路径转变时的应变方向转动也会影响 最终的FLD。 因此，为了准确评估板料在任一应变路径下的 成形性能，需要有一系列与各种应变路径相对应的 FLC，而不是线性路径下的单条FLC。很明显，由 试验得到一系列FLC，并将所有的FLC应用于生产 实际的做法是不现实的。为了满足不同材料性能和 制造加工的要求，弥补FLC与路径相关的不足，生 产实际中大多采用“安全裕度法”来解决。即设定 一个较大的安全裕度值，该值等同于FLC与成形件 上所有测量应变值之差。FLC将板面内两个主应变 (对应从单向拉伸到双向等拉的所有应力状态组合) 的状态空间分成安全、破坏以及介于安全和破坏之 间的临界区域。这对于成形性能较好的普通薄板成 形是可以满足的。但是对于先进高强钢板而言，由 于其成形性能比低碳钢板等普通板料差，成形极限 相对较低，若也在FLC上设定一个较大的安全裕度 来评定其成形性能，则钢板成形的设计柔性将会明 显减小【9】。故安全裕度法并不适用于先进高强钢， 有必要寻求一种与应变路径无关的成形极限判据， 以评估实际工件的成形性能。 1．2基于应力的成形极限图 针对基于应变的FLD与应变路径相关的局限 性，文献[6]指出极限应变只由最终的应力状态决 定，失稳点的应力与应变路径无关。后来，ARRIEIⅨ 等[1o】也发现了这种现象，并认为可以将基于应力的 成形极限图(S仃ess-basedfonllinglimitdiagram， FLSD)作为所有二次成形的极限判据。他们通过试 验研究确定了线性和双线性应变路径下的FLD，然 后根据塑性本构关系沿应变路径逐步计算得到应力 历史，最后将成形极限逐点从应变状态空间映射到 应力状态空间，得到失稳点的两个主应力，从而建 立了FLSD，并认为不同应变路径下的FLSD几乎重 合。之后，SING等【ll】采用Hill’79屈服准则，通过单 向拉伸试验参数先计算出FLSD，然后反推出FLD。 但这种唯象确定FLSD的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 没有涉及应变路径的 变化，只适用于简单加载情况。文献[12．13】也分别 对复杂应变路径下的成形极限问题展开了研究，结 果都表明，FLSD与加载路径无关。 STOUGHTONll4J利用文献[7】的试验数据，通过 对材料各自的应力应变关系曲线中的强度系数进行 归一化处理，构建了相应的FLSD。从应变空间映射 万方数据 jz 高亮 2011年2月 黄晓忠等：板料冲压成形破坏判断准则的研究进展 25 到应力空间上得到的一系列基于应力的FLC经归一 化处理后，大多数接近。作者认为多数曲线接近表 明FLSD与应变路径无关，可以将FLSD作为任意应 变路径下所有成形加工的极限判据。而少数曲线差 别较大，乃归咎于文献[7】基于应变FLC的试验不确 定因素所引起的误差。关于后者的解释，其合理性 有待商榷。如文献[5]所指出的，曲线接近与曲线重 合是两个不同的概念，两条不同的应变FLC换算得 到的应力FLC究竟接近到什么程度才算是工程意义 上允许的重合，即与加载路径无关，仍是一个模糊 的问题。但是，作者在文献[14】所做的工作及其对 FLSD进行的后续研究成果【l5。17】，对于人们进一步研 究FLSD与应变路径的关系、寻求更为合理的成形极 限判据具有积极的启发意义。 BuTuc等【心俐用Hill’48和Ballat’96屈服准则， 结合M—K凹槽理论119J唯象比较了AA5182一O铝合金 在线性、复杂应交路径下的FLD与FLSD。研究结果 表明，当采用可以更好描述材料塑性行为的本构方 程时，通过计算与第二应变路径相关的应力状态， 以确保FLSD与应变路径变化无关，FLD与FLSD结 合将是一种可行的途径。然而，通过计算与第三应 变路径(第一、第二应变路径的矢量叠加)相关的复 杂应变路径下的FLSD，却发现两种判据都与应变路 径相关。因此，FLSD未必就与加载路径无关；同时， FLSD与FLD两者孰优孰劣，尚不能断定。 相对而言，国内关于FLSD的研究起步较晚。研 究成果主要集中于北京航空航天大学和南京航空航 天大学。万敏等【4J对复杂加载路径下板料成形极限 的研究状况进行了综述，并介绍了FLSD的研究状 况。谢英等【20。21】基于塑性应力应变关系，推导出了 极限应力与极限应变的相互转换关系，针对分散性 失稳、凹槽失稳和平面应变漂移失稳等准则，进行 了不同加载应变路径下FLSD的理论计算。结果表 明，对于同一失稳准则，在不同加载应变路径下几 乎为同一条曲线，故将FLSD作为复杂加载路径的成 形极限判据也许更为方便和实用。 陈明和等【5’22彩】讨论了FLSD与应变路径的不相。 关性。文献【22．23]通过理论分析，获得板料极限应 变与极限应力的转换关系，并结合相应的屈服准则， 建立了FLSD的数学计算模型。同时基于 DYNAFORM软件的计算结果文件，开发了以FLSD 为破坏极限判据的有限元分析应用程序。作者初步 解决了板料成形有限元数值模拟中基于应变FLC所 存在的路径相关性问题，并实现了在数值模拟中以 FLSD为判据来尝试分析复杂板料成形的失稳，为预 测多道次板料成形的成形极限提供了新的手段。但 是，这种按照塑性本构关系由FLD转换得到FLSD的 方法，仍然需要获得板料的极限应变。如何更加准 确地测得极限应变、能否找到一种尽量减少对外部 条件的依赖，并更本质反映材料性能的方法，至今 仍是尚待解决的问题。 综上所述，FLSD使得预测复杂加载路径下板 料多道次成形的极限成为可能。但是，在实际应用 中，同一材料在不同的应力状态下，极限应力不同， 而且破坏位置的极限应力只能间接地利用塑性本构 关系，通过某一特殊路径下的极限应变得到，应力 的测量尚存在很大难度。FLSD是否一定与板料所 经历的应变路径无关，尚有待进一步论证。另外， 在板料成形中，板料某一点的应力可能会出现时大 时小的波动现象，即在数值模拟中可能会出现某个 单元的应力值在某一时刻(或时间步)已经超过板料 的FLSD，但是在另一时刻应力值又突然小于 FLSD【23】。这也是利用FLSD作为成形极限判据时需 要解决的问题。 1．3 与应变路径无关的应变成形极限图 为了评定应变路径明显偏离线性路径情况下 板料成形模拟中的集中性缩颈失效，zENG等【9J基 于等效应变和成形终了时刻的材料流动方向，提出 了基于应变的成形极限新判据。新判据既具有与应 变路径无关的特性，又具有一般线性应变路径下 FLD易于描述的优点，可用于预测包括流动方向发 生突然变化在内的任一变形路径下的多道次成形 极限。 1．4考虑局部小特征区域弯曲强化效应的成形极 限研究进展 如前所述，FLD的理论和试验基础是平面加载 下的板料集中缩颈失稳。而一般的汽车用板成形过 程多属于立体成形范畴。板料在拉伸和弯曲的共同 作用下经过模具圆角时，其成形极限往往会受到模 具曲率的影响。对于DP、HsLA等钢板，回弹是其 主要的成形缺陷之一。为了降低回弹，需要减小弯 曲半径，而小弯曲半径将引起弯曲效应。因此，当 板料弯曲半径很小时，需要考虑模具曲率对FLD的 影响，并修正传统的FLD，从而避免因使用传统的 FLD而出现错误的成形性预报，以减少不必要的设 计返修以及降低生产成本。 GHOSH等【24J对平板面成形和曲面成形的拉伸 极限进行了试验研究，指出，平板面拉伸下的FLC 低于曲面拉伸下的FLC，极限应变与板料的曲率有 关。当板料曲率增加时，将引起更大的应变梯度， 极限应变也随之增大。 CHARPENTIER【25j研究了不同凸模曲率对板 万方数据 jz 高亮 26 机械工程学报 第47卷第4期 料拉伸极限的影响规律，指出FLD的位置不仅与材 料性能有关，还取决于凸模曲率等几何因素。在一 定的材料厚度下，板料缩颈区域的极限应变将随着 凸模曲率的增加而增加。 SRlRAM等【26】对若干不同凸模半径下的高强钢 成形进行了角度拉伸弯曲试验研究。结果表明，当 凸模圆角半径变小时，缩颈失效的位置将从凸模侧 面转移到凸模端部。 THARRETT等【27】研究了弯曲曲率对1008AK成 形极限的影响。他们发现，当凸模圆角半径变小时， 成形极限相对于基于平面加载条件的FLD有了明显 的提高。 SHI等【28】对由FLD曲率引起的应变梯度效应进 行了研究。他们将由弯曲效应引起的厚向应变梯度 引入到本构模型中，结合板料各向异性非二次屈服 准则，对平面加载下的板料进行了M—K理论分析。 结果表明，弯曲效应可以强化成形极限。 XIA等[29】考虑板料局部弯曲效应，对在拉弯作 用下板料的成形极限进行了研究。他们提出了弯曲 强化成形极限模型的基本理论框架，并利用文献 【30．31]的方法和塑性理论分析了板料在拉弯作用下 的成形失稳。理论和试验结果表明，局部弯曲可以 提高成形极限。该研究成果对于研究考虑局部小特 征区域弯曲的成形极限强化问题具有很好的借鉴意 义。但是他们的工作只局限于“沿一个主加载方向 弯曲”的假设情形。若建立同时考虑沿横向、纵向 两个方向弯曲效应的板料双曲度模型来预测成形极 限将更有广泛的应用空间。但目前尚未见到考虑双 曲度的局部弯曲强化模型的研究成果报道。 2没有明显缩颈的韧性破裂准则 对于某些复杂路径下塑性较差、破裂时没有明 显缩颈现象的板料成形(特别是铝合金板料成形1极 限问题，不少研究人员建议利用韧性破裂准则 (Ductile丘actI玎ecriterion，DFC)作为破坏判据。目 前应用较多的DFC主要有CockcroR准则吲、Brozzo 准则【33】、Ovane[34】准则以及C1iR准则‘351。TAKUDA 等【36】利用上述4种准则，结合有限元法对A1100．O、 A2024．T4、A5052．O等材料的轴对称拉深成形进行 了研究。经比较数值模拟结果与试验结果，利用文 献【32—34】的DFC可有效地预测板料的成形极限，而 利用CliR准则并不能准确预测。 OzTI瓜K等【37】利用DFC预测了板料成形的极 限应变，并将预测得到的FLC与试验、理论曲线相 比较。结果表明，利用DFC可以很好地预测FLD左 半部分的破裂，而对于右半部分却预测不准。 国内于忠奇等【38J将文献[39]提出的DFC嵌入到 有限元模拟中，在模拟获得的应力、应变值基础上， 采用拉伸试验和数值模拟相结合的方法确定了DFC 中的材料常数，并利用该DFC预测了LYl2(M)的圆 筒件拉深和半球形凸模胀形的成形极限。 余心宏等【加】采用数值模拟与Oyane准则【34J相结 合的方法，预测了A5182．O和SPCC从单向拉伸到双 向等拉应变路径下的成形极限。但是，正如笔者所 指出的，DFC判断仍然是计算后数据处理的事后判 断。若能将其作为失效子程序写入自定义材料类型， 实现实时判断、发现破裂时即停止计算，则DFc的 运用将更加准确、高效。 陈劫实等【4l】从控制塑性变形能的角度出发，基 于总塑性功的积分形式，建立了板料的成形极限预 测判据。研究表明，该判据对于钢板和铝合金板的 成形极限可做出较为准确的预测。 DFC根据板料成形过程中应力、应变及塑性变 形能的变化来预测韧性破裂的发生。板料成形中应 力、应变的分布和变形历史都可以通过有限元计算 得到。但每一种DFC都是在一定的假设基础上建立 起来的，这与塑性变形时的应力、应变及材料常数 有关，因此，每种DFC都不能适用于所有的成形情 形。目前尚没有一种能够不依赖于成形条件而能本 质反映材料性能、预测韧性破裂的DFC。 3 剪切破裂判断准则的研究进展 在汽车工业不断发展的同时，由汽车引发的油 耗、安全和环保等问题日益突出。因此，生产低油 耗、低排放的汽车，实现节能减排是响应建设节约 型社会号召、力保汽车产业可持续发展的理性举措， 也是汽车工业界亟待解决的问题。汽车燃油消耗与 车重的关系密切。采用轻量化技术既可以减小汽车 的各种行驶阻力、降低燃油消耗，还有利于改善汽 车的转向、加速、制动和排放等多方面的性能指标。 但轻量化往往会降低汽车的碰撞安全性[4引。早期人 们开发了Al、Mg以及高分子复合材料等低密度汽 车用材，以减轻车重。而由于采用这些材料时需要 增大厚度以克服其刚度和强度较低的不足，因此， 在重量减轻上效率并不明显【431。此后，人们应用 BH、HsLA等传统高强钢于汽车零部件上。这提高 了汽车件的强度、耐撞性能，但却削弱了其成形性 能。针对普通高强钢的上述不足，钢铁界率先研发 了因应变硬化能力高而具有较高强度和成形性能的 先进高强度汽车用钢【。M51，有效满足了车体轻量化 万方数据 2叭1年2月 黄晓忠等：板料冲压成形破坏判断准则的研究进展 27 和碰撞安全性的要求。随着汽车轻量化和安全环保 等先进理念的不断深化，先进高强钢(Advancedhigh stren鼬steeIs，AHSS)在汽车材料中逐渐占据主导 地位，并在汽车的轮毂、保险杠、加强件等零部件 上具有广阔的应用前景。 与普通高强钢相比，AHSS具有更高的强度和 伸长率。不同的材料力学性能决定了AHSS的冲压 成形性与普通高强钢板有明显的差异。AHSS在冲 压成形过程中除了会产生高摩擦热、更大的成形压 力和能量、回弹与翘曲、起皱、边缘破裂以及拉伸 失稳之外，有时还会出现剪切破裂现象【4“引。如前 所述，FLD可以有效判断低碳钢板成形的集中缩颈 失效。此外，利用双向加载下基于应变的 “Keele卜Brazier”FLD经验公式不仅可以很好地预测 屈服强度高达550MPa的HSLA钢板的缩颈失效【4引， 还可以准确预测DP和TRjP等AHSS在足够引起缩颈 大应变下的成形集中缩颈失效【48’50。511。然而，当 AHSS抗拉强度为780MPa及以上时，在拉弯成形过 程中，弯曲小圆角处的板料经常由于经历弯曲与反 弯曲(曲率发生急剧变化)而在集中缩颈产生之前出 现剪切破裂。此时，有限元模拟预测得到的应变值 在传统的FLC之下，预测结果并不准确。 SHIH【46J在利用拉弯试验研究AHSS的回弹控 制过程中发现了剪切破裂现象，并认为在产生破裂 的圆角处存在临界背应力与相对弯曲半径但／D值的 各种不同组合。WALP等【47】与阳JDGINS等【52】分别进 行了一系列剪切破裂拉弯试验。研究结果都表明， 在介于AHSS拉弯安全和破裂的临界区域，都存在 临界剐f值。当R／植小于临界值时产生剪切破裂，反 之，则不会产生剪切破裂。 SHIH等【53】在文献[47，52】研究工作的基础上对 AHss的剪切破裂进行了试验研究。他们利用改进 的拉伸成形模拟装置(S仃etch—f．omlillgsimulator，SFS) 模拟了AHSs的拉弯成形。当板料在拉力作用下经 过凹模圆角时，SFS开始模拟成形过程。在试验中 给定材料和规格，只改变凹模圆角半径大小。结果 表明，在小R／f值弯曲过程中，当R／值小于临界值、 弯曲拉力很小时，AHSS不会产生剪切破裂；但即 使侧壁拉力很小，AHSS也会失效。即剪切破裂不 仅和尺／f值有关，还与作用在板料上的拉力大小有 关。通过改变夹具的位置，得到不同大小的拉伸约 束力。当约束力逐渐减小时，破裂的位置将从凹模 圆角处逐渐转移到侧壁，而板料破裂的模式将由剪 切破裂失效向拉伸破裂转变。 文献【53]尽管只讨论了圆角处失效以及凹模圆 角与侧壁切点处的失效，而没有讨论侧壁失效，但 研究所得到的结论，对于正确理解AHSS成形中影 响剪切破裂的因素和规律具有一定的指导意义。此 外，该文指出，拉力小时，可以在临界肋值下顺利 成形。但是一般情况下，要成形小半径的件，需要 比较大的拉力，这小的拉力应该如何理解，作者并 未给出明确的解释。同时，作者仅就AHSS板料成 形中影响剪切破裂的因素定性做了分析讨论，但尚 未提出有效预测AHSS剪切破裂的判断准则。 关于剪切破裂的机理及影响因素，目前还处于 探索研究阶段。文献[53]指出，剪切破裂可能是由 于各种相的不同微观结构以及接触应力大引起集中 应力状态改变而造成的。FEKETE等【43】指出，影响 AHSS剪切破裂的因素主要包括工艺参数、材料性 能和微观结构。在工艺变量方面，尺／f值对剪切破裂 的影响最大。SRJRAM等【26J对多种AHSS进行角度拉 弯试验研究的结果表明，在拉伸弯曲条件下，R／f 值不同将引起板料失效位置发生变化。失效可能位 于试件的侧壁，也可能位于凸模端部圆角处或附近 区域。而后者在FLD极限应变值到达之前发生，属 于剪切破裂失效。然而，要预测拉弯条件下的剪切 失效，需要知道板料在临界状态下的应变或者应力， 但实际上很难测量到失效处的应变。在材料性能和 微观组织方面，微观组织均匀化有利于提高DP钢冲 压成形的破裂抗力及成形极限14引。DP钢中软、硬相 硬度不同也和破裂抗力有关。对DP进行扩孔加工 时，软、硬相的强度差异大将引起裂纹在较低的扩 孔值下呈颗粒状扩展，而当其强度差异较小时，裂 纹将在较高的扩孔值下呈晶粒扩展p4|。而这些因素 将增大建立连续介质材料预测模型的复杂度。迄今 为止，在实际中还没有应用于汽车用材且考虑微观 结构影响的实用方法，而是采用扩孔或屈强比来代 替微观结构因素【4引。考虑微观组织对剪切破裂失效 的影响，将显著提高多相AHSS破裂的预测复杂程 度。目前尚没有成熟的理论见诸报道。 WAGoNER等p刈对DP590、DP780和DP980进 行了拉弯试验研究，并建立了同时考虑应变、应变 率和温度等因素的一维流动应力本构方程。研究结 果表明，根据拉伸速度、拉伸速度比以及剐值的不 同组合情况，板料在拉弯过程中将对应出现三种失 效方式，即拉伸缩颈失效(远离小圆角弯曲区域，没 有经历凹模圆角处的弯曲与反弯曲)、剪切破裂失效 (发生于圆角出口切点处)以及介于拉伸缩颈失效与 剪切破裂失效的混合破裂形式。在刚f，值较小和变形 率较高情况下，剪切破裂更容易产生。作者还认为， 剪切破裂失效是热应变集中的结果，形变诱发升温 以及随后发生的材料软化是在特定应变率下失效的 万方数据 jz 高亮 28 机械工程学报 第47卷第4期 重要因素，对AHSS的流动应力影响较大。 以往在回弹或摩擦试验中，板条被约束后在两 个夹头的作用下绕滚轮弯曲。当后夹头对板料施加 恒定后向力时，前夹头以恒定的速度拉动板料远离 滚轮，使得材料在可控条件下滑过滚轮。而在文献 【55】采用的拉弯试验装置中，只控制后夹头的速度， 但不施加力。作者认为这确保了板料的向前运动， 从而“破裂总是发生在靠近试件前端处”。但是忽 略后夹头对板条施加的作用力，对于板条的剪切破 裂有何影响，影响程度有多大，尚不明确。 最近，zENG等156J对DP780在拉弯成形下的破 裂失效进行了试验和有限元模拟研究。研究结果指 出，剪切破裂经常在含有马氏体相的多相材料的拉 弯过程中产生。影响DP780剪切破裂的因素除了临 界肋值、面内拉伸力大小外，还有马氏体相的大 小、体积分数以及分布。当马氏体体积分数以及颗 粒大小都较小时，即使临界刚f值很小，板料也不 会产生剪切破裂。关于面内拉伸力以及材料微观结 构对剪切破裂影响的定量分析尚有待探索。 4结论 (1)基于板面内主、次应变的FLD直观反映了 板料在一定的变形方式下发生集中缩颈失稳前所能 达到的极限变形程度，已被广泛用于预测简单加载 下板料成形的集中缩颈失效。但是明显的应变路径 相关性很大程度制约了其在复杂应变路径下的多道 次成形极限预测中的应用。基于等效应变和成形终 了时刻的材料流动方向的FLD既与应变路径无关， 又易于描述，适用于预测包括流动方向发生突然变 化在内的任一变形路径下的多道次成形极限。 (2)FLSD初步被认为与应变路径无关，并使得 有效预测复杂加载路径下板料多道次成形的极限成 为可能。但是，同一材料在不同的应力状态下，极 限应力不同，而且破裂位置的极限应力不能直接测 量，应力的测量尚存在很大难度。另外，任何板料 成形过程中的FLSD是否～定与板料所经历的应变 路径无关，尚有待论证。同时，板料成形中某一点 的应力在FLSD附近波动的现象及机理，也是将 FLSD作为成形极限判据时需要解决的问题。 (3)DFC根据板料成形过程中应力、应变及塑性 变形能的变化来预测韧性破裂的发生，材料发生韧 性破裂与所处的应力、应变状态和自身的特性有关。 DFC与有限元法相结合，适用于预测复杂路径下塑 性较差、破裂产生时没有出现明显局部缩颈的板料 成形极限。但是，每一种DFC都是在一定的假设基 础上建立起来的，分别有各自的适用范围，因此基 于DFC预测板料的极限也有其局限性。 (4)板料在拉伸和弯曲的共同作用下经过模具 圆角时，其成形极限往往会受到模具曲率的影响。 当板料成形弯曲半径很小时，需要考虑模具曲率对 于FLD的影响，并修正传统的FLD。在一定的材料 厚度下，板料缩颈区域的极限应变将随着凸模曲率 的增加而增加。同时，局部小圆角区域弯曲可以强 化成形极限。目前尚未见到同时考虑沿横向、纵向 两个方向弯曲效应的板料双曲度局部弯曲强化模型 相关研究成果的报道。因此，提出拉伸弯曲下考虑 双曲度的板料局部弯曲强化极限判据将具有明显的 创新意义。 (5)目前关于AHss在缩颈之前出现的剪切破 裂机理尚不成熟，有待进一步阐明；同时，迄今为 止，尚未见到任何有效预测AHSS剪切破裂的有限 元模拟失效判据，有必要探求一个相应的成形破坏 判断准则，从而控制和提高AHSS的成形质量。 (6)系统研究板料冲压成形过程中的局部弯曲 强化效应和AHSS成形中经常出现的剪切破裂，同 时建立相关的理论模型和成形破坏补充准则，并将 新准则集成到有限元分析软件中，以有效预测板料 的破坏，对于完善冲压成形理论、提高板料的成形 质量，具有科学的理论创新意义和实用价值。 参考文献 [1】KEELERS只BACKOFENWA．PlaSticinstabili锣and 鼢tureinsheetss仃e劬edoverri舀dp岫ches叨．ASM Tram．Quaft．，1963，56(1)：25_48． [2】KEELERSP．DetemlillationofRmminglirIlitsin硼nom— otivestampings[R】．SAE，650535． 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