电沉积镍涂层薄板的冲压成形极限预测与数值模拟

论文摘要

随着社会信息化进程的不断加快,各种便携式通讯设备广泛使用,促进了电池行业的迅速发展。电沉积镍涂层薄板作为高性能电池的外壳,因其具有直接成形,无需后续电镀,易于实现连续化生产的特点,得到了广泛应用。所以对镍涂层薄板的成形性能进行研究是一个很有意义的课题。本文针对镍涂层薄板的成形极限,将涂层与基体区分开来,给予涂层足够的重视,考虑涂层的力学特性以及与基体的界面结合强度。基于板料拉伸失稳理论和复合板思想,分别采用理论方法与数值模拟方法研究镍涂层薄板的成形极限。主要研究内容和结果如下:为确定材料的本构关系,根据镍涂层薄板的应力、应变实验数据,采用多项式拟合方法得到了基体和涂层的应力—应变关系;分别根据Swift分散颈缩理论和M-K理论,推导出涂层薄板的颈缩判据,并依此判据计算镍涂层薄板的成形极限。计算结果表明,两种理论所得到的成形极限曲线接近,而且成形极限与材料的厚向异性指数R、涂层的厚度以及板料的初始不均度f有关,R越大,涂层越薄, f越接近于1,则成形极限曲线越高。运用有限元显式动力算法模拟电池壳的成形过程,获得了基体与涂层的应力、应变分布及厚度变化;通过不同参数下模拟结果的比较、分析,对摩擦系数、压边力进行了优化。模拟结果表明,涂层薄板能顺利成形,最大拉应力出现在靠近凹模圆角的直壁部位,而在凸模圆角处板料减薄最严重。同时得到,涂层三向主应力均比基体小得多,约为基体的一半,但其分布较基体复杂。此外,通过提取基体与涂层界面的节点界面应力,分析可得成形过程中最大界面应力为剪应力,值约为40.3MPa,小于结合强度,涂层没有从基体上剥落。根据拉伸实验极限应变求得用于韧性断裂准则的材料常数;结合有限元模拟得到的应力、应变数据,应用韧性断裂准则预测镍涂层薄板的成形极限,预测结果表明涂层先于基体破坏。同时,利用理论成形极限图检验预测结果的准确性,经验证,应用有限元模拟与韧性断裂准则相结合的方法预测镍涂层薄板的成形极限,能得到比较满意的结果。通过本文研究,得到了电沉积镍涂层薄板成形极限图的右边区域,同时,应用韧性断裂准则对其成形极限进行了预测,预测结果与理论成形极限图符合较好,所以该方法对电沉积镍涂层薄板的制备和加工能起到一定的指导作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 板料成形数值模拟的研究现状
• 1.1.1 数值模拟方法的发展
• 1.1.2 数值模拟方法的应用
• 1.2 成形极限图的研究现状
• 1.2.1 实验方法
• 1.2.2 理论与数值模拟方法
• 1.3 本文的意义及主要研究内容
• 第2章 成形极限图的理论基础
• 2.1 成形极限图的原理
• 2.2 成形极限图的制作
• 2.3 成形极限理论及影响因素
• 2.3.1 塑性拉伸失稳理论
• 2.3.2 成形极限曲线的影响因素
• 2.4 本章小结
• 第3章 镍涂层薄板成形极限图的右边区域
• 3.1 基体与涂层的应力应变关系
• 3.1.1 应力、应变实验数据
• 3.1.2 基体与涂层的本构关系
• 3.2 镍涂层薄板成形的基本假设
• 3.3 镍涂层薄板的等效应力与等效应变
• 3.3.1 Hill 正交各向异性塑性理论
• 3.3.2 涂层薄板的等效应力和等效应变增量
• 3.4 分散颈缩发生条件
• 3.5 Swift 理论计算结果与讨论
• 3.6 成形极限的M-K 理论
• 3.7 M-K 理论计算结果与讨论
• 3.8 本章小结
• 第4章 镍涂层薄板冲压成形的有限元模拟
• 4.1 ANSYS/LS-DYNA 简介
• 4.2 ANSYS/LS-DYNA 的求解步骤
• 4.2.1 前处理（PREP7 前处理器）
• 4.2.2 加载和求解
• 4.2.3 后处理
• 4.3 电沉积镍涂层薄板成形过程的有限元模拟
• 4.3.1 选择单元及算法
• 4.3.2 定义材料模型
• 4.3.3 建立有限元模型
• 4.3.4 接触类型及摩擦系数
• 4.3.5 确定压边力、添加约束及载荷
• 4.3.6 修改K 文件、求解及后处理
• 4.4 有限元仿真结果分析
• 4.4.1 基体与涂层的应力分布
• 4.4.2 基体与涂层的应变分布
• 4.4.3 基体与涂层的界面结合强度
• 4.4.4 冲头载荷曲线
• 4.4.5 有限元模拟结果的实验验证
• 4.5 本章小结
• 第5章 韧性断裂准则的应用及成形破坏预测
• 5.1 常见的一些韧性断裂准则
• 5.2 基于 Lemaiter 损伤理论的韧性断裂准则的建立
• 5.2.1 Lemaitre 损伤理论
• 5.2.2 韧性断裂的外界影响因素
• 5.2.3 韧性断裂过程中材料物理性能的变化
• 5.2.4 韧性断裂判据的推导
• 5.3 材料常数的确定
• 5.4 应用韧性断裂准则进行成形破坏预测
• 5.4.1 破坏预测结果
• 5.4.2 常数材料对成形极限的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已公开发表的论文