板材在拉深筋中的循环变形特征及后续成形性能研究

论文摘要

q板材通过拉深筋的过程可以看作是在拉力作用下不断经历弯曲、卸载及反向弯曲的循环加载过程,存在着应变硬化和包申格现象,此外,由于反复的弯曲变形,导致板厚减薄,因此板材在通过拉深筋后的成形性能会有很大变化,而板材的这种后续成形性能的变化,对成形能否顺利进行有着极其重要的影响,是拉深筋设计时必须加以考虑的因素。本文针对板材通过拉深筋时弯曲与反弯曲的循环变形特征,根据塑性理论的屈服条件和硬化模型,给出了考虑板材方向性、加工硬化特性和包申格效应的基于HILL屈服条件的随动硬化和混合硬化理论解析模型。以有限元数值模拟为分析工具,采用Mises屈服条件的各向同性硬化、HILL屈服条件的随动硬化和混合硬化三种材料模型,分析了板材通过半圆筋时的变形特征,得到了板材切向应力—应变循环关系曲线,探讨了不同模型下包申格效应对应力—应变循环关系的影响以及弯曲中性层迁移对板材中间层切向应力的影响;通过与实验结果的对比表明,采用HILL屈服条件的混合硬化模型的计算精度最高;同时计算结果表明,从应力应变曲线分析,板材在半圆筋中经历了两次弯曲与反向弯曲过程,在梯形筋中经历了三次弯曲与反向弯曲过程,不同加载分支的切线模量在第二个加载分支以后大幅降低。通过板材通过拉深筋的预变形实验研究了拉深筋结构参数对板材预变形的影响,指出相对筋高超过10以后,预应变的增幅变化不大;通过板材后续成形性能测试,获得了板材后续成形性能曲线,分析了拉深筋结构参数对后续成形性能曲线特征与变化规律的影响,研究了板材后续性能曲线的演化规律与板材预变形的关系;研究表明,对于实验涉及的三种材料,通过拉深筋的板材因应变硬化作用其后续屈服强度都大于毛坯板材屈服强度的1.5倍以上,当等效预应变较小时,板材的后续强度极限小于毛坯板材强度极限,后续延伸率都小于毛坯板材延伸率;当板材通过拉深筋产生的等效预应变大于0.1以后,后续延伸率小于20%,后续成形性能曲线无硬化表现,无法测定硬化指数n与塑性应变比r。采用正交设计法,就半圆筋、梯形筋各结构参数对拉深筋阻力、板材预变形和板材后续成形性能的综合影响进行了研究。研究表明,随筋高增加,拉深筋阻力、板材预变形量、后续屈服强度及后续强度极限都增大,但后续延伸率降低;随筋圆角及凹槽圆角半径增大,各项指标所得结果与前述相反;不同拉深筋参数设置可能产生相同的阻力效果,但板材通过拉深筋产生的预变形和后续成形性能却不相同;随等效预应变增大,后续屈服强度及强度极限都增大,但屈强比却接近1,后续延伸率呈指数函数形式下降,板材经过拉深筋后塑性变形能力显著降低。通过分析板材预变形及板材后续成形性能与拉深筋结构参数的关系,提出了依据板材成形条件,综合考虑拉深筋阻力和板材后续成形性能的半圆筋及梯形筋结构参数的设计原则与调整方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 拉深筋的结构形式、工作原理及作用
• 1.3 国内外研究概况及发展方向
• 1.3.1 拉深筋工作原理、载荷特性及其影响因素的研究
• 1.3.2 拉深筋阻力计算模型的研究
• 1.3.3 数值模拟中的等效拉深筋模型
• 1.3.4 拉深筋对板材变形及性能影响的研究
• 1.3.5 拉深筋的设计方法
• 1.3.6 拉深筋研究中存在的问题与今后发展方向
• 1.4 课题来源及本文主要研究内容
• 第2章 板材在通过拉深筋时的变形分析
• 2.1 循环加载与硬化模型
• 2.1.1 加工硬化与包申格效应
• 2.1.2 循环加载的弹塑性特征
• 2.1.3 塑性力学中的硬化模型
• 2.2 基于HILL 屈服条件的硬化模型的建立
• 2.2.1 基于HILL 屈服条件的随动硬化模型的建立
• 2.2.2 基于HILL 屈服条件的混合硬化模型的建立
• 2.3 板材在通过半圆筋时的变形分析
• 2.3.1 有限元分析模型
• 2.3.2 变形特征分析
• 2.3.3 三种硬化模型对比分析
• 2.4 板材在通过梯形筋时的变形分析
• 2.4.1 有限元分析模型
• 2.4.2 板材在梯形筋中变形特征分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 板材的后续成形性能研究
• 3.1 成形性能的表征与研究方案
• 3.2 实验装置与测试方法
• 3.2.1 板材成形性能测试方法与装置
• 3.2.2 板材通过拉深筋的预变形实验装置与测试方法
• 3.2.3 板厚检测
• 3.3 板材后续成形性能测试
• 3.3.1 板材原始成形性能测试结果
• 3.3.2 板材通过半圆筋的预变形实验
• 3.3.3 板材后续成形性能测试
• 3.4 实验结果分析
• 3.4.1 拉深筋结构参数与板材的预变形
• 3.4.2 板材后续成形性能特征分析
• 3.4.3 预变形与板材后续成形性能
• 3.4.4 n 值与 r 值变化特征
• 3.5 本章小结
• 第4章 拉深筋结构参数对板材后续成形性能的影响
• 4.1 半圆筋结构参数的正交分析
• 4.1.1 实验方案
• 4.1.2 实验结果
• 4.1.3 实验结果方差分析
• 4.2 半圆筋结构参数对实验结果的影响分析
• 4.2.1 半圆筋结构参数对拉深筋阻力及板材预变形的影响分析
• 4.2.2 半圆筋结构参数对板材后续成形性能的影响分析
• 4.2.3 通过半圆筋后板材的预变形与板材后续成形性能的关系
• 4.3 梯形筋结构参数的正交分析
• 4.3.1 实验方案
• 4.3.2 实验结果
• 4.4 梯形筋结构参数对实验结果的影响分析
• 4.4.1 梯形筋结构参数对拉深筋阻力及板材预变形的影响分析
• 4.4.2 梯形筋结构参数对板材后续成形性能的影响分析
• 4.4.3 通过梯形筋后板材的预变形与板材后续成形性能的关系
• 4.5 半圆筋与梯形筋实验结果的对比分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于板材预变形及后续成形性能的拉深筋设计原则
• 5.1 通过半圆筋后板材预变形及后续成形性能的综合分析
• 5.2 半圆筋结构参数的设计与调整原则
• 5.3 通过梯形筋后板材预变形及后续成形性能的综合分析
• 5.4 梯形筋结构参数的设计与调整原则
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介