高强铝合金板材温热成形实验与理论研究

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近年来,为有效地降低能耗和减小环境污染,轻量化已成为现代结构设计的主流趋势,以高强铝合金材料为代表的轻质、高强度材料,在汽车、航空航天器等先进制造领域的应用日益增加。高强铝合金板材温热冲压成形工艺不仅可以充分利用高强铝合金材料优异的机械性能、环保性以及适应轻量化的趋势,而且能够大幅度提高产品的合格率,正受到越来越多的关注。高强铝合金板材温热成形过程是一个极其复杂的多参数耦合的非线性过程,采用传统的“试错”工艺设计方法,在时间上和经济上,都已不能满足现代化生产的需求。所以基于数值模拟的定量化工艺设计方法,必将成为高强铝合金板材温热成形工艺设计的发展方向。尽管国内外对高强铝合金板材力学性能的提高、微观组织结构及热处理工艺进行了大量研究,但对高强铝合金板材温热成形实验和理论还需要进一步研究。在轻型化的背景下,研究高强铝合金板材温热成形性能,对于掌握其成形规律,制定科学合理的冲压工艺,为高强铝合金板的广泛使用具有重要指导意义。7075-T6高强铝合金综合性能较好,室温强度高,是我国目前使用的强度最高的铝合金之一。本文以7075-T6高强铝合金板材作为研究对象,总体上采用实验和数值模拟相结合的研究方法,从基础实验到成形理论两个方面对其成形性能进行了研究。本文首先通过50℃~280℃范围内六个温度下,三个不同应变速率多组温热单向拉伸实验,分析了7075-T6高强铝合金板材温热变形力学行为,由实验数据建立了7075-T6高强铝合金板材与温度相关的本构方程及其屈服函数;再通过成形极限实验,获得了7075-T6高强铝合金板材在温热条件下的成形极限图(FLD,Forming Limit Diagrams);利用实验获得的材料参数及成形极限实验条件作为边界条件,用有限元分析软件ABAQUS建立有限元模型,模拟获得7075-T6高强铝合金板材的成形极限图;在此基础之上,提出了考虑温度效应的铝合金板材温热成形韧性破裂准则,并通过数值模拟和实验相结合的方法确定了韧性破裂准则中的材料参数及临界值。通过本文的研究,有助于拓宽高强铝合金板材冲压成形领域,丰富和发展薄板温热冲压成形理论,促进高强铝合金板材温热冲压成形技术的应用和推广。
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