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在汽车工业中广泛采用有限元方法来分析评价拼焊板的冲压成形性能,但在目前大部分的工程应用仿真过程中,焊缝处理采用刚性连接,实践证明这种简化方式的仿真结果在一些工况下与实际成形结果存在较大的差异。本文将采用数值模拟、物理试验和力学解析方法系统地研究焊缝性能对于拼焊板冲压成形数值模拟结果的影响,为拼焊板冲压成形有限元模拟正确应用于工程实践中提供参考依据。
为了在数值模拟中给予拼焊板焊缝单元赋予正确的材料属性提供依据,首先对拼焊板焊缝性能进行了金相组织、硬度分布以及单向拉伸等方面的综合分析。其次,为了研究焊缝对拼焊板成形性能的影响,选取了板料塑性成形中两大典型成形工序:单向拉伸和极限胀形,作为数值模拟研究对象。拼焊板模型中,运用了两种焊缝处理方式,即忽略焊缝性能的刚性连接和考虑焊缝性能的壳单元焊缝模型。在拼焊板单向拉伸数值模拟研究中,分析了采用刚性连接模型和壳单元焊缝模型对于拉伸过程中的应变、缩颈时试件变形量、缩颈位置以及焊缝移动量等方面的模拟结果的影响。结果表明:两种焊缝处理方式的模拟结果之间差别很小。在此基础上基于刚性连接拼焊板模型,采用力学解析方法推导了同材差厚拼焊板试件单向拉伸情况下缩颈时焊缝两侧薄厚板变形量公式,并通过试验以及有限元方法验证了所推导公式的正确性。在拼焊板胀形成形数值模拟研究中,分析了焊缝两侧材料不同匹配情况下焊缝性能的影响,总结了不同焊缝处理方式的适用范围。研究表明:当焊缝两侧材料综合强度比相当时,开裂首先发生在焊缝处,随即蔓延到邻近焊缝的母材区域,刚性连接模型模拟开裂结果与真实情况完全不符,此时需要采用考虑焊缝性能的拼焊板模型;当焊缝两侧材料综合强度比差异显著时,刚性连接拼焊板模型模拟结果在成形高度、开裂形式、焊缝移动量和垂直于焊缝有效应变分布等方面都与壳单元焊缝模型几乎相同,并且通过与物理试验结果比对,证实了两种有限元模型模拟结果与真实情况一致,因此在此类情况下,数值模拟中可以使用刚性连接模型,即忽略焊缝性能。最后,本文对拼焊板冲压成形焊缝建模技术中需要进一步研究的工作提出了展望。