铝合金汽车部件的变形及损伤行为

论文摘要

节能和环保是当今社会发展的主题,汽车轻量化正是满足了这一需求。铝合金的比强度超过钢,但比刚度较差。由于铝合金具有较好的延展性,通过挤压、冲压、压铸、焊接等工艺能得到复杂截面的构件及空间框架结构,与传统的钢制半壳型结构相比,不仅减轻了重量,而且保证这种车身具有最佳的刚度,并在此基础上采用先进的组合框架方法将是未来交通工具发展的方向。本文结合试验和数值计算,研究铝合金部件重点研究复杂截面挤压部件在轴向载荷作用下的变形及损伤行为和T型管焊接部件在平面弯曲载荷作用下的变形和损伤行为。首先对6000系列车用铝合金材料进行力学性能表征。主要对AA6014、6061、6063三种材料进行表征。考虑挤压所造成的材料的各向异性以及应力状态、应变速率的影响,并对6061和6063的断口进行观察。在对母材进行材料表征时要综合考虑以下几个因素：不同应力状态、应变速率、材料各向异性。在选择损伤模型时要考虑到应力状态的影响,在三向应力度较低的情况下Johnson-cook损伤模型能够很好的预测材料的损伤行为,在三向应力度较高的情况下,Gurson模型得到较好的结果。模拟时的损伤参数还与网格尺寸有关,随着网格尺寸的增加,损伤参数减小。宏观试验结果表明：三种材料平板拉伸时的断裂应变大于缺口拉伸时的断裂应变,而平板拉伸时的屈服应力小于缺口拉伸时的屈服应力,在剪切时材料的剪切断裂应变远大于平板拉伸时的断裂应变。对于6063和6061两种材料断口观察发现,随着三向应力度的增大,韧窝断裂机制增加,剪切断裂机制减小。缺口拉伸断口主要以韧窝为主,而剪切断口是以大型剪切韧窝和剪切面为主。平板拉伸试样宏观断口为剪切断裂和正拉伸断裂两种混合方式,最终的断裂以剪切断裂为主,宏观上表现为或者沿宽度方向剪断,或者沿厚度方向剪断；缺口拉伸试样主要以拉伸断裂为主。针对6063平板拉伸试验所遇到的关于断裂路径的问题应用UMAT对断裂路径进行了预测。对复杂截面异厚度的均质部件在轴向载荷作用下的变形及损伤行为进行了研究。以AA6014为研究对象,部件由德国奔驰公司提供。对部件进行轴向压缩试验,并应用前面得到的材料力学性能参数及损伤参数对部件在轴向载荷作用下的变形及损伤行为进行预测。结果表明通过仿真与试验相结合的方法可以得到合适的变形及损伤参数；损伤模型与三向应力度有关,因此要选择合适的损伤模型模拟不同载荷作用下的材料的变形及损伤行为；因为损伤参数与网格尺寸相关,模拟部件时网格尺寸比模拟试样时粗大,因此需要根据网格尺寸调整损伤参数,本文对比了不同网格尺寸模拟的结果。在部件模拟中将试样设置为均质,为得到更精确的仿真结果,与制造工艺过程相结合的仿真应该是未来仿真发展的方向。对铝合金焊接接头局部材料进行了力学性能表征。提出了一种双孔微剪切试验方法,无需制备小试样,在被测试样区域打两个通孔,直接进行剪切试验,测定了焊接接头各区域的局部强度及局部材料的剪切变形和损伤行为。并通过改变两孔之间的距离及孔的半径来实现局部材料在不同应力状态下的变形及损伤行为。应用TIG （Tungsten inert Gas）焊制备铝合金焊接接头,其中对接接头母材为6061和6063,T型板接头及T型管接头母材为6063。焊接对接接头时,通过多次试验发现,焊缝预留间隙对焊缝成形影响较大,焊接薄板时,预留合适间隙0.5-1mm时有利于焊缝双面成形,间隙过大易发生焊缝烧穿,间隙太小需要较大的热输入才能保证焊缝成形,但这样会增加热影响区的宽度从而降低接头的强度。在焊接T型接头角焊缝时,由于板薄焊接电流相对较小,因此角焊缝的熔深也很小,焊缝预留间隙和开坡口对增加焊缝的熔深几乎没有效果,反而会出现焊缝塌陷和形成冷搭接现象。因此文中所有角焊缝的熔深在强度计算时忽略不计,有限元模型中也不考虑角焊缝熔深。金相观察及硬度分析可以发现,焊接接头的焊缝及热影响区与母材在组织结构与力学性能上存在一定的差别,因此要想准确表征焊接接头的性能必须要考虑焊接接头的力学性能不均匀性。针对铝合金对接焊接接头及T型焊接接头进行了双孔微剪切试验,并结合有限元反推法,获得了不同焊接接头各区域的真应力应变曲线及损伤参数。在前面研究的基础上,对平板对接接头进行了拉伸试验及有限元模拟。选用成形良好的焊接接头,主要研究熔化焊对接接头在动载荷及静载荷作用下的变形及损伤行为。并且基于Gurson和Johnson-cook损伤模型结合有限元模拟研究低匹配和高匹配焊接接头及不同匹配情况下焊缝相对宽度对接头性能的影响。同样的焊接工艺下,动态拉伸时,在没有焊接缺陷的影响下,抗拉强度及断裂应变比其在静态拉伸条件下有所提高,且应变率越大,抗拉强度和断裂应变越高；不同材料的动态拉伸试验结果显示：6061的抗拉强度及断裂应变与6063相比要高些,说明6061的材料性能优于6063；同样材料不同的取样方式（垂直于焊缝和沿着焊缝）的动态拉伸试验结果显示：沿着焊缝取样的试样质量优于垂直于焊缝取样的试样,且抗拉强度及断裂应变高于垂直于焊缝取样的试样；以焊缝成形及质量良好的静态平板拉伸试样进行微剪切试验,并结合有限元模拟得到焊接接头各个区域的材料的力学性能参数及损伤参数,并应用得到的参数模拟静态平板拉伸试验得到了很好的结果,说明微剪切试验及建立的有限元模型的正确性；应用有限元仿真的方法研究了不同匹配焊接接头及焊缝相对宽度对接头性能的影响,结果发现：对于低匹配的焊接接头,损伤主要发生在热影响区,且相对宽度越窄,损伤越容易发生,因此建议对于低匹配的焊接接头要选择一个合理的宽度的焊缝；对于高匹配焊接接头,损伤主要发生在母材上,且相对宽度越窄,损伤越不容易发生,因此建议对于高匹配的焊接接头要选择一个尽可能窄的焊缝。T型部件的试验研究及有限元模拟。通过试验和有限元分析相结合,研究了6063铝合金T型焊接结构在平面弯曲载荷作用下的变形及损伤行为。设计的T型试样可以实现角焊缝在拉应力状态下的变形及损伤行为,可以作为表征T型部件的“标准”试样的参考。Gurson和Johnson-cook损伤模型能够预测T型部件的损伤行为,Gurson模型预测结果要好于Johnson-cook模型。试验结果表明,S型焊缝裂纹在熔合线附近产生之后逐渐向热影响区扩展,最后宏观裂纹在热影响区形成。U型焊缝宏观裂纹产生于焊缝,最后向热影响区扩展,有限元仿真也很好的预测了这一过程,验证了模型的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 插图索引
• 插表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 工程背景
• 1.2 塑性大变形力学研究进展
• 1.3 损伤力学的发展及应用
• 1.3.1 连续介质损伤力学的研究进展
• 1.3.2 细观损伤力学研究进展
• 1.4 有限元分析方法
• 1.4.1 有限元软件
• 1.4.2 用户子程序
• 1.5 铝合金焊接接头
• 1.5.1 铝合金焊接接头特征
• 1.5.2 不均匀焊接接头力学性能评价
• 1.6 本课题的提出及研究的意义
• 1.7 课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题
• 1.7.1 目标
• 1.7.2 内容
• 1.7.3 拟解决的关键性问题
• 第2章 6000系列车用铝合金材料力学性能表征
• 2.1 引言
• 2.2 试验
• 2.2.1 试验技术路线
• 2.2.2 试样编号及取样方式
• 2.2.3 AA6014试验
• 2.2.4 6061和6063试验
• 2.3 有限元模拟
• 2.3.1 6014有限元模拟结果
• 2.3.2 6063和6061有限元模拟结果
• 2.3.3 用户子程序UMAT的应用
• 2.4 本章小结
• 第3章 均质部件在轴向压缩载荷作用下的变形及损伤行为
• 3.1 引言
• 3.2 部件试验
• 3.3 有限元模拟
• 3.4 本章小结
• 第4章 铝合金焊接接头材料力学性能表征
• 4.1 引言
• 4.2 双孔微剪切装置的设计
• 4.2.1 试验装置
• 4.2.2 打孔装置
• 4.3 有限元反推法
• 4.4 孔径变化与应力状态
• 4.4.1 试验过程及结果
• 4.4.2 有限元模拟
• 4.4.3 结果及讨论
• 4.5 铝合金焊接接头的制备
• 4.5.1 试验
• 4.5.2 金相观察及硬度分析
• 4.6 铝合金焊接接头双孔微剪切试验
• 4.6.1 试样制备
• 4.6.2 试验结果
• 4.7 本章小结
• 第5章 平板对接焊接接头拉伸试验及有限元模拟
• 5.1 引言
• 5.2 试验
• 5.2.1 试样的编号及取样方式
• 5.2.2 拉伸试验
• 5.3 有限元模拟
• 5.3.1 双孔微剪切试验的有限元模拟
• 5.3.2 拉伸试验的有限元模拟
• 5.3.3 不同匹配焊接接头及接头相对宽度对其性能的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 T型部件平面弯曲试验及有限元模拟
• 6.1 引言
• 6.2 试验和仿真
• 6.2.1 T型试样几何形状设计思路
• 6.2.2 硬度试验及金相观察
• 6.2.3 双孔微剪切试验及有限元仿真
• 6.2.4 T型试样在拉伸载荷作用下的试验及有限元模拟
• 6.2.5 T型部件在平面弯曲载荷作用下的变形及损伤行为
• 6.3 本章小结
• 结论
• 本文主要创新点及展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表及待发表论文目录
• 附录B FORTRAN程序