车用铝合金冲压性能的有限元模拟和实验研究文献综述

文献综述：

1. 前言

近二十几年来，能源和安全已经变成阻碍全球汽车行业发展的严峻问题。发展汽车技术也是围绕着这些问题进行的，而能源问题已经成为了最为突出的问题。中国的汽车石油消耗占到了全国的70%，原油进口依赖度超过50%，中国汽车工业的稳步发展同时也带来了高能耗、高排放等环境污染问题。 在多种降低油耗措施中，减轻汽车重量是最直接且有效的方法之一。大量数据表明，汽车耗能中的70%与车身重量有关。因此汽车轻量化技术已成为未来汽车发展的前沿。[9] 美国资深工程师汽车工程师David Scholes预测：未来，轿车上的每一个零件都有可能用铝合金来生产。铝合金在车辆上的扩大应用已经成为不可阻挡的趋势。[1]

铝合金在车辆上的使用收到广泛的重视，替代其他材料用作汽车零部件，成为汽车轻量化、现代化的有效途径。其中铝合金便是个中翘楚，其成形性好、耐腐蚀性强、强度高、耐高温性能好等特点使其成为研究和应用的热点之一。由于铝合金的弹性模量比钢的要低很多，所以在成形的过程中更容易发生回弹，扭曲和破裂。因此对于铝合金冲压性能的研究是必不可少的

1. 介绍

板金在成形过程中能够研究的问题可概括为“四多一变”，即：零件形状多，成形方法多，材料牌号多，影响因素多，且一种材料的成形性能，在成形过程中是有变化的。 因此来鉴定一种材料的成形性能的好坏指数需要多方面的试验和数据。

• 1. 单向拉伸

单向拉伸试验是评价汽车板材基本力学参数和成形性能参数的主要试验方法。

• • 1. 力学性能参数

本试验拟用单向拉伸实验进行材料的力学性能测试和成形性能测试。根据国标《GB/T228-2002 金属材料室温拉伸试验方法》来制作试样。通过试验所得数据，计算出材料的屈服强度（）、抗拉强度、伸长率、屈强比以及真实应力-应变曲线。

• • 1. 成形性能参数

板金的成形性能，目前主要研究范围限于压延和胀形两种变形方式，对两种变形方式有影响的参数，分别为厚向异性参数与应变强化系数（或简称强化指数）。

1. 厚向异性参数

厚向异性参数 是以单向拉伸中，宽度方向的应变 和厚度方向的应变之比的表示。板金在压延成形过程中， 值愈大，板金抵抗失稳变薄的能力愈大，愈能发挥拉伸失稳前的最大强度，拉动凸缘部分，形成更深的压延件。

1. 应变强化指数

板金的压胀性能主要判据为强化指数。如果零件在成形时以拉伸为主，材料值大则成形后零件厚度分布均匀、表面质量较好且不易产生裂纹，薄板的冲压成形性能愈好；零件在成形是以压缩为主，板料值大使其应变均化能力强，薄板的成形性能也得到改善。

• 1. 双向拉伸

单向拉伸能够获得较多的材料性能，且试验方法也较为完善，但是单向拉伸只能反映材料在单向受力状态下的力学性能，不能反映双向和多向受力状态下材料的变形行为及性能。双向拉伸作为单向受力至多向受力的过渡阶段，能够反映材料在复杂应力状态下的性能。

绝大多数金属材料是各向异性的，因此双向拉伸试验在测试多于一个方向上加载/卸载的服役过程中结构构件性能上的应用也越来越广泛。

• 1. 成形极限

成形极限是表征金属板料在进行塑性成形时所能够达到的最大成形能力的一种参数或指标。它确定了材料的最大成形能力，不仅在工艺设计中用来确定材料能否被成形为合格的零件，还可以判断材料的性能是否得到了充分的利用，为选择合适的材料、降低生产成本提供重要参考依据。

板料成形极限图（FLD）自Keeler在1965年5月提出最初概念后，国内外学者对其的研究有了长足的发展。国内梁炳文，胡世光等是该领域研究的先驱者，他们对FLD的试验应用以及影响因素做了详细的介绍与分析，并发明了相关试验设备。95年由曹宏琛，姜奎华等起草并形成了95国家标准，后来若干学者在此基础上做了一些研究，促进了国内FLD的研究与应用。[3]

图 1 材料成形极限曲线

• 1. 数字图像相关方法

数字图像相关方法是在上世纪八十年代提出，常用于力学和材料研究中进行位移和变形的测量，其优势在于：光路简单，受外界影响小，对隔振条件要求不高，测量范围和测量精度可以根据需要进行调整；数据处理自动化程度高，可以全自动进行，可实现非接触全场测量。

综合双目立体视觉技术和数字图像相关方法各自的特点和优势，将其运用于新型应变测量技术的研究和系统开发中。具有代表性的系统和产品有德国Gom公司生产的ARAMIS光学应变测量系统，美国Correlated Solutions公司生产的VID-3D，以及西安交通大学刚刚研发的XJTUDIC系统。[4]

• 1. 有限元模拟

利用塑性理论推导成形极限曲线的方法在使用一些较为复杂的屈服准则以及硬化准则时计算起来相当复杂，一般需要专门编制程序进行数值迭代求解。随着有限元技术的发展与推广，塑性成形有限元模拟则可作为一种方法来对材料变形的预测。通过对于成形过程的模拟得出材料的成形极限，并与实验结果相对比。若模拟仿真结果与实验结果偏差较小，则有限元模拟可以作为材料成形极限预测的手段。

1. 总结

铝合金作为车辆轻量化的重要组成部分，已然成为工业上研究的前沿与热点。综合大量文献来看，国内外研究人员对铝合金冲压成形性能所做的测定与研究。具体内容如下：

1. 通过进行单向拉伸试验测量材料本身的力学性能参数与成形性能参数，获得材料本身特点且为后续试验提供基本数据。
2. 通过进行双向拉伸试验测量材料在双向受力的情况下的变形性能和行为，探究材料在双向或多向受力的应力分布。
3. 通过试验方法获得材料的成形极限曲线，对工业上材料成形提供理论依据。
4. 利用有限元模拟分析上述试验，对比模拟数据与试验数据，分析有限元模拟在预测材料冲压成形性能方面的应用。

通过近几年发展起来的基于计算机视觉技术的自动应变测量系统，能够精确的对板料变形过程进行观察与测量，推动了应变测量方法的改进。

现在社会中存在的问题是工业实施应用的科学技术水平远远落后于科学研究的水平，因此国内不少学者已开始着手开发系统有效的工具，将科研成果运用于实际生产，提高生产效率，节约制造成本，推动工业先进化的脚步。

1. 参考文献
2. 丁向群. 6000系汽车车用铝合金的研究应用进展[J].材料科学与工程学报.2005，第23卷.
3. 葛丽丽.6016铝合金板材冲压成形性能研究[D].大连:大连交通大学.2014.
4. 王辉.成形极限图的获取方法与其在金属板料成形中的应用[D].南京:南京航空航天大学.2011.
5. 叶南.基于机器视觉的板料成形性能分析关键技术及系统实现.[D].南京.南京航空航天大学.2010.11
6. 黄晓忠.板料冲压成形破坏判断准则的研究进展[J].机械工程学报.2011,第47卷.
7. 孙立君.汽车覆盖件冲压有限元分析方法及其软件的应用[J].机电工程技术.2005，第34卷.
8. 王安东.汽车车身用新型6000系铝合金板材性能研究[D].大连:大连理工大学.2011.
9. 车洪艳.铝合金汽车部件的变形及损伤行为[D].兰州:兰州理工大学.2008.
10. 兰博.汽车铝合金覆盖件冲压成形数值模拟研究[D].吉林.吉林大学.2015.
11. 陈志英.冲压成形中破裂和回弹的细观损伤力学分析[D].上海.上海交通大学.2009.
12. 吴建军.板料成形性基础[M].西安:西北工业大学出版社,2004.8.
13. 梁炳文.板料成形性能[M].北京:机械工业出版社,1999.5.
14. 徐秉业,刘信声.应用弹塑性力学[M].北京:清华大学出版社,1995.
15. Dorel Banabic.金属板材成形工艺:本构模型及数值模拟[M].北京.科学出版社.2015.
16. 李兵.ANSYS 14有限元分析自学手册[M].北京:人民邮电出版社,2013.4.