焊缝模型对激光拼焊板成形模拟的影响与试验研究

论文摘要

拼焊板技术是目前汽车轻量化的一个重要发展方向,但是板料厚度和材料性能的不同以及焊缝的存在,导致在成形过程中拼焊板与普通光板产生很大差异,其成形性能有大幅度的降低。随着计算机技术和有限元思想的发展,在产品设计过程中,越来越多地采用有限元方法对产品设计和制造过程进行数值模拟,以此改善产品结构和成形工艺。但是相对普通光板来说,由于拼焊板是由两块或者两块以上的板料焊接而成,多了一条或者几条材料力学性能和形状与母材都不相同的焊缝,这给有限元建模带来很大的困难。本文系统地研究了焊缝模型对拼焊板成形过程数值模拟的影响与拼焊板结构之间的关系。拼焊板结构主要体现在拼焊板具有不同的厚度比、不同的薄厚面积比以及不同的焊缝宽度。同时通过具体零件成形过程的模拟,分析了在冲压成形过程中三种焊缝模型对数值模拟结果的影响,并与冲压试验结果进行比较,得到精确的拼焊板焊缝模型处理方法。本文具体内容如下:对纵向焊缝拼焊板拉伸试件进行单向拉伸试验,得到拼焊板和母材力学性能参数,为后面模拟提供参数。并对力学性能参数分析,得出焊缝对拼焊板成形性能有很大的影响,因此在有限元模型中需要对焊缝的具体建模方法及其对模拟结果的影响详加考虑。对横向焊缝拼焊板的单向拉伸过程进行有限元模拟,分别采用三种拼焊板模型,第一种是只考虑焊缝位置,忽略焊缝材料性能和形状,第二种是考虑焊缝位置的同时,考虑了焊缝材料性能,焊缝采用壳单元,第三种是考虑焊缝位置的同时,既考虑焊缝形状又考虑焊缝材料性能,焊缝采用体单元。在三种拼焊板模型中,母材都是采用壳单元,壳单元和体单元之间联接是通过壳单元和体单元各自不同自由度进行耦合联接在一起。通过对焊缝移动、失效时候拉伸位移、危险点位置三个模拟结果进行探讨,研究了焊缝模型对拉伸模拟结果的影响与拼焊板结构之间关系。在不同的厚度比、薄厚面积比和焊缝宽度下,焊缝模型对模拟结果有不同的影响。在上面三种焊缝模型下,对典型的常见零件盒形件拼焊板拉深成形过程进行模拟,通过材料流动、焊缝移动、最大减薄率和计算时间的对比,分析了不同的焊缝有限元模型在具体零件冲压过程中对数值模拟结果的影响大小和各自的计算效率。并且对盒形件的拉深过程进行实冲试验,比较了模拟与试验结果,发现体单元焊缝模型与试验结果最为接近,而壳单元焊缝和忽略焊缝模型在大多数结果上是相近的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 拼焊板的概念与应用
• 1.2 拼焊板有限元模拟技术现状
• 1.2.1 有限元模拟技术的发展
• 1.2.2 数值模拟技术在拼焊板成形中的应用现状
• 1.2.3 焊缝模型对拼焊板模拟影响研究现状
• 1.3 研究目的、意义和内容
• 第二章 板料成形和有限元理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 弹塑性本构关系及其屈服准则
• 2.2.1 弹塑性本构关系
• 2.2.2 屈服准则
• 2.3 有限元理论基础
• 2.3.1 有限元法基本思想
• 2.3.2 板料成形有限元方程的建立
• 2.3.3 板料成形模拟的积分算法
• 2.4 ABAQUS软件介绍
• 2.5 本章小结
• 第三章 激光拼焊板单向拉伸试验及其分析
• 3.1 引言
• 3.2 拼焊板的制备
• 3.2.1 母材的准备
• 3.2.2 焊接设备及夹具
• 3.2.3 焊接质量检测
• 3.3 拼焊板拉伸试验
• 3.3.1 试样制备
• 3.3.2 试验仪器
• 3.3.3 试验方法
• 3.4 拉伸试验结果和分析
• 3.4.1 拉伸试验结果
• 3.4.2 拉伸试验结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 焊缝模型对拼焊板成形模拟的影响与拼焊板结构的关系
• 4.1 引言
• 4.2 拼焊板单向拉伸模拟方案
• 4.3 拼焊板拉伸试样有限元模型的建立
• 4.3.1 拼焊板拉伸试样几何模型描述
• 4.3.2 拼焊板拉伸试样有限元模型建立中的关键问题
• 4.4 数值模拟结果和分析
• 4.4.1 焊缝模型对焊缝移动的影响与拼焊板结构关系
• 4.4.2 焊缝模型对失效时拉伸位移的影响与拼焊板结构关系
• 4.4.3 焊缝模型对危险点位置的影响与拼焊板结构关系
• 4.5 本章小结
• 第五章 具体拼焊板零件成形模拟中焊缝模型的影响与试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 盒形件拼焊板模拟方案及有限元模型的建立
• 5.2.1 盒形件拼焊板模拟分析方案
• 5.2.2 盒形件拼焊板有限元模型的建立
• 5.3 有限元模拟结果和讨论
• 5.3.1 焊缝模型对盒形件拼焊板材料流动的影响
• 5.3.2 焊缝模型对盒形件拼焊板焊缝移动的影响
• 5.3.4 焊缝模型对盒形件拼焊板最大减薄率的影响
• 5.3.6 焊缝模型对盒形件拼焊板计算时间的影响
• 5.4 盒形件拼焊板冲压试验
• 5.4.1 试验目的
• 5.4.2 试验材料
• 5.4.3 试验设备
• 5.4.4 试验结果与模拟结果的比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文