镁合金型材弯曲变形过程数值模拟研究

论文摘要

轿车轻量化始终是轿车工业发展的重要方向之一,车身减重在轿车轻量化进程中占有重要地位。为降低车身重量,同时保证轿车的安全性,目前一种新的车身结构形式——框架式车身,又称鸟笼式车身,正日益受到汽车生产厂商的关注。制造框架式车身的关键技术在于如何实现型材的高精度弯曲成形。本文基于弹塑性有限元法,通过软件ANSYS/LS-DYNA,对AZ31B镁合金正方形截面型材的弯曲过程进行数值模拟研究。由于材料本构是影响数值模拟精度最重要的因素,因此本文的首要工作就是建立AZ31B镁合金型材的材料本构模型。在常温拉应力状态下,镁合金塑性变形方式以滑移为主;而在常温压应力状态下,以孪生为主,因而在宏观上表现出镁合金在常温拉伸和压缩应力状态下力学性能不一致,因此分别建立了相对应的材料本构模型。其次应用所建立的材料本构模型,模拟了型材的三点弯曲变形过程。型材弯曲过程中一部分受压而另一部分受拉,因此在型材的有限元模型中,以型材截面的中间对称面为界,分别赋予各自应力状态下的材料本构模型。有限元模拟的准确性通过与实验结果对比来验证。研究发现,对于成形力、外壁塌陷和回弹量而言,数值模拟的结果与实验结果非常吻合;但内壁凹陷二者差别比较大,这是因为在建立材料模型时忽略了各向异性所致。模拟结果表明,通过分析型材弯曲过程中的最大切应力,能有效预测断裂的位置,对于三点式弯曲而言,断裂区域即侧壁与上壁交界处附近。拉弯法是型材弯曲中应用最广泛的工艺之一,而该方法中最重要的因素是预拉伸力的大小。因此通过应用被三点弯曲数值模拟所验证的材料模型,研究了不同预拉伸力下型材的拉弯过程。研究发现,增大预拉伸力会使截面变形程度加剧,回弹量变小,同时弯曲过程中的最大切应力也会变大,但变化程度很小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 型材弯曲成形工艺概况
• 1.2.1 弯曲过程易产生的缺陷和问题
• 1.2.2 常规弯曲工艺
• 1.2.3 新型弯曲工艺
• 1.2.4 型材弯曲工艺进展和展望
• 1.3 本文研究目的及意义
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 弯曲成形数值模拟及ANSYS/LS-DYNA 简介
• 2.1 数值模拟算法介绍
• 2.1.1 成型过程计算模型
• 2.1.2 求解方式
• 2.1.3 单元类型
• 2.1.4 本构关系
• 2.1.5 接触摩擦理论与算法
• 2.1.6 模具描述
• 2.2 ANSYS/LS-DYNA 软件介绍
• 2.2.1 ANSYS/LS-DYNA 软件的发展历史和应用领域
• 2.2.2 LS-DYNA 在板料成形模拟方面的功能和特色
• 2.2.3 显式隐式顺序求解回弹
• 第3章 AZ31B 镁合金型材常温力学性能
• 3.1 引言
• 3.1.1 镁合金常温拉伸与压缩变形机理
• 3.1.2 温度和应变速率对流变应力的影响
• 3.2 型材在拉应力状态下的力学性能
• 3.2.1 试样尺寸及取样位置
• 3.2.2 真实应力应变曲线的获取
• 3.3 型材在压应力状态下的力学性能
• 第4章 镁合金型材三点弯曲数值模拟及实验验证
• 4.1 三点式弯曲有限元模型
• 4.1.1 单元类型的选择
• 4.1.2 材料本构模型
• 4.1.3 物理模型
• 4.2 模拟与实验结果对比分析
• 4.2.1 压头半径为15mm 时的模拟和实验结果分析
• 4.2.2 压头半径为60mm 时的模拟和实验结果分析
• 4.3 型材弯曲时的断裂分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 AZ31B 镁合金型材拉弯研究
• 5.1 引言
• 5.2 拉弯有限元模型
• 5.3 有限元结果分析
• 5.3.1 截面变形
• 5.3.2 回弹
• 5.3.3 断裂
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文