鎂合金型材三點(diǎn)彎曲數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證

1、g(g II2011. Vol. 39. Null鎂合金型材三點(diǎn)彎曲數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證劉再德I,劉志文2，徐 艾李落星23(1.深圳華加日鋁業(yè)有限公司，廣東深圳518052;2.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410082;3.湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410082 )摘要：建立了常溫拉應(yīng)力和壓應(yīng)力狀態(tài)下AZ31B鎂合金型材的材料本構(gòu)模型。根據(jù)所建立的材料本構(gòu)模型模擬了 空材的三點(diǎn)彎曲變形過程.研究龍明：對J成形力、外唯塌陷和冋邨就而育數(shù)值模擬的結(jié)果與試強(qiáng)結(jié)果吻合較好； 但內(nèi)唯凹陷二者差別比較大這是在建工材料模熨時(shí)忽略r務(wù)向#性所致。通過模擬鎂合金熨材三點(diǎn)彎曲變形

2、過 凰.驗(yàn)證了材料本構(gòu)模型的準(zhǔn)幽性.對鎂合金璽材彎III數(shù)值模擬研究具右一定指導(dǎo)怠義。關(guān)鍵詞:錢合金;材料本構(gòu)模切;三點(diǎn)彎曲；數(shù)值模擬 中圖分類號:TGI46.22文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1007 -7235 0011 )11 -0058 - 06Numerical simulation and experimental verification of three-pointbending of magnesium alloy profileLIU Zai-de* ,LIU Zhien2*3,XU Yi23,U Luoing2 30. Nonfemet International (China

3、-Canada-Japan ) Aluminum Co. Ltd. Shenzhen 518052. China；2 State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University.Changsha 410082.China；3. College of Materials Science and Engineering. Hunan Lniversity.Changsha 410082 .China )Abstract: The AZ31 B magnesium alloy c

4、onstilulive model under tensile and coinpress stress at room temperature has been established According to the constitutive model setting up, the three-point bending deformation process of extrusions has been simulated. The results show that the forming force, outer wall collapse and rebound of the

5、numerical simulation amounts are almost identical with that of the experiment obtained. But there are relative large differences between the inner wall collapses obtained l)oth from simulating and experiment. This is due to the ignoring of anisotropy of the extrusions during the simulation model set

6、ting up. The simulating process of three-|M)int bending of the magnesium alloy extrusions verified that the constitutive model of the profile is accurate and it can be taken as a guide for numerical simulation model research on bending of magnesium alloy profile.Key Words : magnesium alloy; constitu

7、tive model; three-point bending; numerical simulation汽車輕量化始終是汽車匚業(yè)發(fā)展的亜耍方向之一 車口減帀:在汽車輕空化進(jìn)程中占有車要地位 O收稿日期：2011 -07 -20第一作者簡介：劉再德（1956 -人男，湖南長沙人，離級工程師。 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 59r.2011. Vol. 39. Null 1994-2011 China Academic Journal Electronic Pu

8、blishing House. All rights reserved, # 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, #為降低車身巫氐同時(shí)保證汽車的安全性川前一種 新的乍身結(jié)構(gòu)形式一框架式吃乃正日益受到汽乍 牛產(chǎn)廠的關(guān)注。制造鎂合金框架式乍身的關(guān)鍵技 術(shù)在于如何實(shí)現(xiàn)型材的高稱度彎曲成形。材料本構(gòu) 模型是影響型材彎曲數(shù)值模擬持度最亞要的因索。 型材彎曲過程中內(nèi)外兩側(cè)分別受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力狀 態(tài)。與鋁合金不同在常溫拉應(yīng)力狀態(tài)卜，鎂合金鞏 性變形方式以滑移為主；而在常溫床應(yīng)力狀

9、態(tài)卜以 李牛為主，因而在加觀上表現(xiàn)出鎂合金在常溫拉伸 和壓縮應(yīng)力狀態(tài)下力7性能不一致因此應(yīng)分別建 立相對應(yīng)的材料本構(gòu)模型H前，國內(nèi)外專家對輕 合金型材彎曲成形研究取得了很多的成果Hopper- stad13研究了材料力學(xué)性能參數(shù)對回彈的影響,屈 服應(yīng)力和硬化待性影響比較大，而各向異性影響不 大;金淼以數(shù)值模擬為手段模擬了大尺寸対閉截 面AA6O82斗I鋁合金型材在不同彎曲半徑卜的拉彎 成形過程;金朝海對AA6082*鋁合金中空矩形 截面型材轉(zhuǎn)骨式拉彎成形過程的回彈進(jìn)行了數(shù)值模 擬研究。但以上丁作只局限丁鋁合金型材彎曲成形 研究對于鎂合金型材彎lltl數(shù)值仿真研究和所采用 的材料本構(gòu)模型相關(guān)報(bào)道

10、較少.作者分別在拉、斥應(yīng)力狀態(tài)卜建立了 AZ31B鎂 合金的材料本構(gòu)模型，基于U4）YNA軟件平臺對鎂 合金方管三點(diǎn)彎曲成形力、哉面變形和冋彈進(jìn)行數(shù) 值仿真研究最后與試驗(yàn)結(jié)果對比驗(yàn)證。1 AZ31 B鎂合金材料本構(gòu)模型的建立鎂合金的拉、壓力學(xué)性能不對稱，在型材彎曲過 程中內(nèi)側(cè)受11; 外側(cè)受拉處于拉應(yīng)力和壓應(yīng)力綜 合受力狀態(tài)卜因此在建立力學(xué)本構(gòu)模型時(shí)需要考 慮這一綜合應(yīng)力狀態(tài)。由于彎曲過程在室溫卜進(jìn) 行，且變形速率很低，因此忽略溫度變化和應(yīng)變速率 對流變應(yīng)力的影響只需測得拉應(yīng)力和斥應(yīng)力狀態(tài) 卜的貞實(shí)應(yīng)力砸變曲線就能分別得到各口應(yīng)力狀 態(tài)下的材料的力學(xué)本構(gòu)模型。1.1型材在拉應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能

11、試驗(yàn)用的鎂合金型材為分流模擠壓方竹材質(zhì) 為鎂合金AZ31B.H名義化學(xué)成分 碩就分?jǐn)?shù)/% ）為 Mg4Al-0.8Zn-0.4Mno生產(chǎn)狀態(tài)為在24弋、擠壓比 19： 1的條件下，以3 mm/s的擠壓速度制得，其截面 尺寸為 18 mm X 18 mm X 1.4 mm.按 GB228A002 標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定制備標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣（圖1）-在型材任 意位置線切割取三組平行試樣.4： MTS試驗(yàn)機(jī)上以2 mm/min的拉伸速度進(jìn)行拉伸試驗(yàn)記錄卜引伸計(jì) 的變形量仝和拉伸試驗(yàn)力八取平均值經(jīng)il算其等 效翔性真應(yīng)力城變曲線如圖2所示。圖1標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣尺寸圖Fig. 1 Dimension of the sta

12、ndard tensile sample圖2拉應(yīng)力狀態(tài)下的真應(yīng)力應(yīng)變曲線 Fig. 2 True stress-st rain curve? at tensile condition1.2型材在壓應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能由丁在M巧壓縮試驗(yàn)機(jī)記錄的位移變形均為上 卜橫梁之間的位移變形梵中包倉了夾貝、橫梁和試 驗(yàn)機(jī)內(nèi)部零件的變形因而影響了彈性模就和貞實(shí) 應(yīng)力我變Illi線的準(zhǔn)確性，因而對于壓應(yīng)力狀態(tài)F的 真應(yīng)力誨變曲線,從參考文獻(xiàn)中獲取。M. R. Barnett17-8 深入細(xì)致地研究了李生對鎂及鏤合金的拉 伸和壓縮力寧性能的影響以及在斥縮狀態(tài)F晶粒 尺寸對力學(xué)性能的影響.試驗(yàn)樣品是在220兀 45

13、0T之間以不同的溫度、1 mm/s的擠斥速度制得 AZ31B鎂合金型材,其中在300七35OT卜擠壓所 制得的樣品再經(jīng)350七退火1 h。通過金相觀察和分 析得到樣品的晶粒尺寸范圉在322叩分別為 3 jim.4 屮】、8 |im 11 pm、16 屮n 和 22 pm。由于 鎂合金型材擠壓在垂直方向和擠壓方向的晶粒度大 小比較一致，得到了各種晶粒度試樣的常溫壓縮lltl 線 03）. 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 60 1994-2011 China Aca

14、demic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 2011, Vol. 39, Null 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 圖3 BanuH晶粒度的擠壓試樣的壓縮真應(yīng)力鍛變曲線Fig 3 True compression t

15、re-strain curves of extrusion sample with Barnett crystals2鎂合金型材三點(diǎn)彎曲有限元模型的 建立2.1幾何模型及網(wǎng)格劃分建立如圖4所示的冇限元模型。型材三點(diǎn)彎曲 過程具有對稱性，取1/4模型進(jìn)行分析。有限元單 元類型均采用SHELLI63四邊形BelyhchkoTasy殼 單元進(jìn)行離散:厚度方向取5個(gè)高斯積分點(diǎn)9。型 材采用口適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)提高計(jì)算精度。圖4型材三點(diǎn)蠻曲有限元模型Fig. 4 ITiree-poinl l)enling finite element nuxlel of profile2.2材料本構(gòu)模型的賦予別材的材料模

16、型選擇LSWYNA軟件內(nèi)嵌的多 線性本構(gòu),PIECEWISE UNEAR PLASTICITYo 它分 別通過泄義材料的彈性階段和翔性階段來定義材料 的h學(xué)性能。通過顯微俎織觀察和計(jì)算得知試驗(yàn) 鎂合金型材的堆體晶粒16 nm.K彈性階段力學(xué)性 能如表1所示。表1型材彈性階段力學(xué)性能Tab. 1 Mechanical proXArties of profile atelasticity condition性能密度/in5)泊松比彈性模ft/GPa屈服強(qiáng)度/ (N-iimr2 )拉伸 1.77xlO50.3537.3162.95壓縮 1.77 x I050.3535.277.5熨材床彎過程以中間對

17、稱面為界上層材料受 壓,F層材料受拉，如圖5所示，分別對上F層材料 賦y不同應(yīng)力狀態(tài)卜所測得的真應(yīng)力域變曲線。圖5型材材料模型 Fig. 5 Profile model2.3加載及邊界條件處理床彎模擬過程中模具向卜移動約束除方向 的其余5個(gè)自由度，壓下速度為0. 1 m/so型材關(guān)于 Z二0和1=0兩個(gè)平血對稱對于2=0的對稱面, 限制上面所冇的節(jié)點(diǎn)沿Z方向的位移和繞X、丫軸的 轉(zhuǎn)動;對于X二0的對稱血限制上面所冇的節(jié)點(diǎn)沿 X方向的位移和繞Y.Z軸的轉(zhuǎn)動。LS-DYNA提供了多種接觸算法，本文模擬定義 壓頭與型材和底座與型材之間為血面門動接觸模 型，選取經(jīng)典庫侖摩擦模型來描述型材和模具之間 的

18、接觸箱況，摩擦因數(shù)一般取0. 15 9】。拉彎過程模擬分為成形和I叫彈兩個(gè)階段成形 過程橈擬階段采用動態(tài)顯式算法，而回彈模擬階段 采用靜態(tài)隱式算法首先運(yùn)行LSTYNA動態(tài)顯式 模塊.計(jì)算模擬拉彎成形過程.然后輸出dynain文 件將帶有拉彎成形最終時(shí)刻的應(yīng)力、應(yīng)變值和 憶終變形網(wǎng)格竽導(dǎo)入HYPERMESH模塊進(jìn)行前處 理，重新定義材料屬性、邊界條件等參數(shù).再對回彈 過程進(jìn)行模擬，得到冋彈最的大小【。3 模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比分析3.1成形力熨材三點(diǎn)式彎曲試驗(yàn)在MTS 帶的彎曲裝普上 進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)記錄F力與壓頭位移的關(guān)系。由圖6 1994-2011 China Academic Journal El

19、ectronic Publishing House. All rights reserved, 613圖2011. Vol.39. Null町知在模擬的前半段模擬的成形力和實(shí)際試驗(yàn)的 成形力堆本上非常吻合，當(dāng)斥頭斥下量為20 nnn左 右時(shí)模擬的結(jié)果開始小于試驗(yàn)的結(jié)果，而且隨許斥 頭斥卜電的增大，兩者之間的差值越來越大。由圖7 町知.型材拉斥分界處的應(yīng)力中性層的位匱隨斥頭 圧卜量的變化而變化。幵始時(shí)，中性層位丁型材中 間面之匚隨農(nóng)斥頭斥卜就的變大中性層逐漸向受 壓一側(cè)移動；當(dāng)壓頭壓F量為30 mm至40 mm之 間，中層內(nèi)移量偏移越大；當(dāng)圧F量為53.9 mm,型 材斷裂中性層偏移最大。因此，

20、山丁彎曲過程實(shí)際 拉伸和斥縮的分界而與建模的分界面發(fā)牛-偏離導(dǎo) 致兩者之間冇一定的差值。0180010203040位移/ mm506040020圖b壓頭彎曲時(shí)的成形力Fig. 6 The forming force during bending 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, #3圖2011. Vol.39. Null 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights

21、 reserved, #3圖2011. Vol.39. Null11刃林a?$4皿. n. I -irarM.) 、中性層Fringe levels lc T-a-20mmb-30mmTT 0JCoctonr* a ZrtrN.ias ipVvalremin1 S06I legatenaau2 厶2&7M rlrm# 2301 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, #3圖2011. Vol.39. Null 1994-2011 China Academic Journ

22、al Electronic Publishing House. All rights reserved, #3圖2011. Vol.39. NullT 謝: zs:氏處瓷肚 L L h L L L 7Fringe Levelsc-40mm中性JB-a TMVC*Nd*中性層d-5O.3mm3y237)斗|uiwia14oa 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, #3圖2011. Vol.39. Null 1994-2011 China Academic Journal

23、 Electronic Publishing House. All rights reserved, #3圖2011. Vol.39. Null圖7壓頭不同壓下量時(shí)的中性層位魚Fig. 7 Neutral layer position under diflerenl bending force 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, #3圖2011. Vol.39. Null 1994-2011 China Academic Journal Electronic Pub

24、lishing House. All rights reserved, 623圖2011. Vol.39. Null3.2截面變形型材斥彎截而變形衣現(xiàn)為側(cè)壁鼓岀、內(nèi)壁凹陷 和外壁塌陷。本文中截面變形的程度主要通過內(nèi)壁 凹陷仏和外壁塌陷hb厶來雖化和衡h! 其值通過 改裝過的深度尺測量得到.不同壓FS卜型材中間 對稱位世處，即圖5中刁二0的面截血變形的模擬 結(jié)果如圖8所示。隨著斥頭斥卞鍛變大內(nèi)壁凹陷臺和外壁塌陷量的變化情況如圖9所示。從圖9的模擬結(jié)果町以看出外壁塌陷、內(nèi)壁凹 陷和惻壁鼓出均隨看壓頭斥卜呆的變大而變大說 明截面變形隨之也越來越嚴(yán)電。對于外壁塌陷而 言，模擬和試驗(yàn)的結(jié)果比較吻合；但対

25、于內(nèi)壁I叫陷來 說模擬和試驗(yàn)的結(jié)果相差比較大模擬的結(jié)果大致 是試驗(yàn)結(jié)果的兩倍。導(dǎo)致兩者內(nèi)壁凹陷就差別比較 大的原因町能是由于在建立材料力學(xué)本構(gòu)模型時(shí), 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 622011, Vol. 39, Null40mm45mm50mm圖8壓頭不同壓下呈下戡面變形的模擬結(jié)果 Fig. 8 Simulation result of the section (lefomiation with different landing force2.52.01

26、.51.00.5003035404550壓力量/mm-內(nèi)舉凹陷1.51.20.90.6033035404550壓力fi/mmb-外壁塌陷圖9壓頭不同壓下塑下的內(nèi)壁凹陷星和外璧塌陷雖Fig. 9 Qillapse of inner wall and outer wall withdifferent landing force忽略了材料的各向異性所致c彎曲時(shí)旳材的內(nèi)外壁 處于不同的力學(xué)狀態(tài)，內(nèi)壁處于斥縮狀態(tài)外壁處于 拉伸狀態(tài)，內(nèi)壁凹陷實(shí)際上是由于壓縮失穩(wěn)所導(dǎo)致 的而外壁塌陷則足一種簡單的力學(xué)行為。因此這 可能是內(nèi)壁凹陷和外壁塌陷分別對于各向異性的敏 感程度不同，而導(dǎo)致兩者與試驗(yàn)值產(chǎn)牛不同的差茨。

27、本材料本構(gòu)模型由于忽略了各向異性対型材力學(xué)性 能的影響，使得型材彎III 1時(shí)處于壓縮失穩(wěn)狀態(tài)的內(nèi) 壁凹陷量大小無法通過數(shù)值模擬來預(yù)測；但對于外 壁塌陷本模型能做出冇效的預(yù)測。3.3回彈壓彎結(jié)束卸去外載荷后，彎曲型材將產(chǎn)生一定 的回彈，使型材的曲率半徑發(fā)生改變,導(dǎo)致彎曲件的 精度受到影響，因此精確地計(jì)算給定型材的冋彈吊 的大小及分布就2得十分重要彎曲后內(nèi)壁M側(cè)存在未發(fā)牛.彎Ith變形的直線 段，木文則用該兩側(cè)的點(diǎn)線段夾角的變化值來衡量 冋彈的大小，如圖10所示。冋彈前角度為兔，冋彈 后變?yōu)? ,所以冋彈角為 a = m -他即町用它們 的羞值A(chǔ)a來表示回彈的大小。壓頭不同壓F量 匚模擬和試驗(yàn)的

28、型材卸載后的回彈角變化如圖11 所示3035404550壓力量，mm098765432(M乍d回圖11壓頭不同壓下星下的回彈角Fig. 11 Krlxunl angles with difTerrnt I Mending force隨著圧頭壓卜量的不斷變大，模擬和試驗(yàn)中的 冋彈m祁隨之變大變化量祁比較小而口變化的福 度一致二者之間的差值在1。的范闈內(nèi)。說明模擬 的結(jié)果比較町靠采用所建的模型能有效的模擬出 型材三點(diǎn)式彎曲卸載后的回彈?；貜棳F(xiàn)象主要是由 于卸載后型材變形的部分發(fā)工彈性回復(fù)而產(chǎn)生的。 隨打尿頭斥卜旳的變大內(nèi)側(cè)受的等效斥應(yīng)力和外 1994-2011 China Academic Jou

29、rnal Electronic Publishing House. All rights reserved, 2011, Vol. 39. Null 1994-2011 China Academic Joumal Electronic Publishing House. All rights reserved, 2011, Vol. 39. Null側(cè)受的等效拉應(yīng)力均是逐漸變大的所以卸載后彈 性冋復(fù)也越來越大導(dǎo)致產(chǎn)牛冋彈的力偶也越來越 大因此冋彈角也就越來越大。4 結(jié)論本文對A731B鎂合金型材三點(diǎn)彎曲過程進(jìn)行 數(shù)值模擬通過對比不同JE下圮試驗(yàn)和模擬的成形 力、fBi面變形和冋彈角來研究-點(diǎn)彎

30、曲過程以及驗(yàn) 證材料本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性。（1 ）成形力與模擬的成形力前期相當(dāng)吻合，后期 斥下量變大時(shí)dllT實(shí)際拉伸和斥縮的分界而與建參考文獻(xiàn)：模的分界血發(fā)工偏離導(dǎo)致胸者之間右一定的左值。Q）對于外壁塌陷量，模擬和試驗(yàn)結(jié)果比較吻 合，材料本構(gòu)模型能冇效預(yù)測處于拉應(yīng)力狀態(tài)的外 壁塌陷;模擬斥應(yīng)力狀態(tài)卜的內(nèi)壁凹陷眾與試驗(yàn)結(jié) 果相屋較大，模擬的大約為試驗(yàn)結(jié)果的網(wǎng)倍，這是由 于忽略了材料的各向異性導(dǎo)致的。二者都足隨檸壓 頭斥卜.就的變大而變大的試驗(yàn)和模擬的結(jié)果在趨 勢上是一致的。0）隨著卜E頭JK Ftt的變大，回彈角也是不斷變 大的但是變化量比較小。說明所建的本構(gòu)模型能 冇效的預(yù)報(bào)回彈。 1994-2

31、011 China Academic Joumal Electronic Publishing House. All rights reserved, 2011, Vol. 39. Null1 KLEINER M,GEIGER M tKLAUS A. Manufacturing of light weight components by metal forming J . Annals of the CIRP,2003,52:521 -542.2刁可山，周賢賓，金朝海.鋁合金型材拉彎成形研究進(jìn)展J.塑性工程學(xué)報(bào),2003,10 6 ):38-42.13 . HOPPERSTAD 0 S,LE1

32、RA B,HEMSETH S,et al. Reliabilitv4)ase(l analysis of a stretcli-l)vn(ling process for aluminium extmsions J . Computers and Structures, 1999 ,71 (1 ) ：63 - 75.4金 森，周賢賓，李曉星，等.大尺寸封閉裁面鋁型材拉彎工藝研究J.塑性工程學(xué)報(bào),2003,10 6 )：46 -49.5金朝海，周賢賓，刁可山，等.鋁合金型材拉彎成形回彈的有限元模擬J.材料科學(xué)與工藝，2004,12 ):394 -397.6 . LOU X Y, IJ M B()GER R K ,et al. Hardening evolution of AZ31 B Mg sheet J . International Joumal