基于DIC的鋁合金6016成形極限試驗研究

陳天明，嚴大偉，李娟

(南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

0 引言

汽車車身是汽車中用材量及質量最大的部件，約占汽車總質量的30%，所以汽車車身的輕量化對于減輕汽車自重具有重要意義[1-2]。鋁合金具有質輕、耐蝕、比強度高、易加工、表面美觀及回收成本低等諸多優(yōu)點，汽車內外板用鋁合金板代替?zhèn)鹘y(tǒng)使用的鋼板可使整車減重10%左右，可見其減重效果十分顯著[3]。系統(tǒng)研究鋁合金的成形性能，大規(guī)模應用鋁合金進行汽車覆蓋件的成形具有重要意義。Mahabunphachai等人[4]研究了鋁合金高溫成形性能的預測，并對結果進行了有限元模擬。盈亮等[5]對6016的烘烤性能進行了詳細的研究，總結出最佳烘烤強化的溫度和時間。葛麗麗等[6]研究了6016鋁合金的高溫力學性能和成形極限。李彥波等用多元回歸的方法對6016鋁合金的FLD0進行了擬合，建立了FLD0的新公式。以上研究為本文提供了有益的借鑒，但以上對成形極限和力學性能的測試都是通過傳統(tǒng)的網格坐標的方法測量的，精度和效率都不高。

數字圖像相關法(digital image correlation，DIC)是一種全場動態(tài)視覺測量方法，具有非接觸、精度高、受環(huán)境影響小、自動化程度高等優(yōu)點，克服了坐標網格法的不足，并逐步在板料成形應變檢測中得到應用。Pires等[7]采用數字圖像相關法，對A5052鑄造鋁合金的成形性能進行了研究。Zhang[8]等在AA5086成形極限試驗中應用了DIC技術，并將試驗結果與基于M-K模型的有限元數值模擬結果進行了對比。DIC在金屬材料的成形性能研究的應用越來的越廣泛。

結合DIC設備對6016鋁合金的成形極限和力學性能進行精確測量，并與不同屈服條件下理論推導得到的成形極限進行對比，找出相對準確的預測方法。

1 AA6016-T4鋁合金基本力學性能

按照最新國家標準GB/T228.1-2010，分別沿板材 0°、45°及 90°軋制方向截取拉伸試樣。按照 GB/T5027—2007 和GB/T5028—2008 標準測定應變強化系數n、塑性應變比r，以上試驗均遵照 GB/T228—2002 金屬拉伸室溫試驗法進行單向拉伸試驗測定。AA6016-T4鋁合金的基本力學性能如表1所示。

表1 AA6016的力學性能

2 FLD的理論計算

2.1 Swift和Hill失穩(wěn)極限

板材在沖壓成形的塑性變形過程中，由于塑性變形不能穩(wěn)定地進行，往往會導致板材的起皺或者拉裂。拉伸失穩(wěn)是板材成形失效的最主要方式，因此關于這方面的理論有很多，其中最有代表性的是Swift的分散性頸縮失穩(wěn)理論和 Hill 的集中性頸縮失穩(wěn)理論。

將在Hill48屈服準則下的等效應力式帶入Swift分散性失穩(wěn)準則，得到在Hill48下的Swift失穩(wěn)極限。

式中：ε1——主應變；

ε2——次應變；

r0——0°方向的各向異性指數；

r90——90°方向的各向異性指數；

n—— 硬化指數。

帶入Hill集中性失穩(wěn)準則得到在Hill48下的Hill失穩(wěn)極限。

2.2 基于Hill79屈服準則的極限計算

將Hill79屈服準則下的等效應力帶入到Hill集中性失穩(wěn)準則，得到在Hill79下的失穩(wěn)極限:

將Hill79屈服準則下的等效應力帶入到Swift分散性失穩(wěn)準則，得到在Hill79下的失穩(wěn)極限：

當σ1>σ2>0，m為大于1的材料參數可以通過以下求得：

式中：σ0為抗拉強度，MPa；σs為屈服強度，MPa。

2.3 基于keeler公式的成形極限計算

根據keeler公式：

t≤ 2.5時，F(xiàn)LD0=(23.3+14.13t)×n/0.2

2.5≤t≤5.5時，F(xiàn)LD0=(20+20.67t-1.94t2)×n/0.2

t>5.5時，F(xiàn)LD0=75.13×n/0.21

式中t為試樣厚度，mm。

3 FLD的實驗獲得

實驗室用的材料AA6016由西南鋁業(yè)提供，通過單向拉伸實驗得到其基本力學性能見表1。材料的厚度為1 mm。試件參考ISO 12004-2: 2008( GB /T 24171. 2-2009) 標準經線切割制備而成。試件表面噴涂黑、啞光白漆形成黑白相間的散板圖案，作為數字圖像相關法匹配和跟蹤被測件表面變形的特征。

板料成形采用Nakazima實驗法，即半球剛性凸模脹形實驗。通過改變試件的寬度使其側向約束改變，從而得到從單拉到等雙拉的成形極限。潤滑采用先在試件和沖頭之間涂上潤滑脂的方法，再給沖頭和試件之間貼上硅膠墊。將試件安裝到成形極限上，對中并夾緊后，啟動實驗機的同時開啟相機，采集不同寬度試件在成形過程不同時刻的圖像(不同變形狀態(tài))。成形極限機的沖頭速度設為1mm/s，壓邊力設置為250kN，相機采集頻率為15幀。

通過aramis軟件的flc功能生成材料在不同寬度下的成形極限處的主應變，如圖1所示；通過flc功能生成對應的flc曲線如圖2所示。

圖1 不同寬度的AA6016試樣在ARAMIS 軟件上的極限應變云圖

圖2 服從Hill48屈服準則

4 理論計算和實驗的對比

將基本力學性能帶入到Hill和Swift失穩(wěn)極限公式中，就可以求得材料的各種屈服準則和失穩(wěn)準則下的極限應變值。計算出各種條件下的極限應變值后，將這些極限應變點(ε1，ε2)繪制在ε1-ε2坐標系中，并且擬合成一條光滑的曲線就得到6016鋁合金在常溫下的成形極限圖(FLD)。其中圖3是材料服從Hill48屈服準則，且分別服從Swift分散性失穩(wěn)準則和Hill集中性失穩(wěn)準則的相應FLD；圖4是材料服從Hill79屈服準則，且分別服從Swift分散性失穩(wěn)準則和Hill集中性失穩(wěn)準則的相應FLD。

圖3 服從Hill79屈服準則

在單向拉伸應力狀態(tài)和靠近單向拉伸的平面拉伸應力狀態(tài)時，運用Hill集中性失穩(wěn)理論來求解極限問題；在等雙拉伸應力狀態(tài)和靠近等雙拉伸的平面拉伸應力狀態(tài)時，運用Swift分散性失穩(wěn)理論來求解極限問題。因此將兩者合并而成形得到完整的FLD，如圖4所示。滿足keeler公式的FLD如圖5所示。由DIC設備測量得到的實驗的FLD曲線如圖6所示。將上述曲線在一張圖中描述，如圖7所示。

圖4 服從兩種屈服準則的完整FLD

圖5 滿足Keeler經驗公式的FLD

5 結語

1) DIC設備測量得到的6016鋁合金的FLC曲線位于由Keeler公式預測的FLC曲線的下方，并且有較大的誤差，左側的誤差率在16%左右，右側的誤差比較大，但總體趨勢大體一致。

2) DIC設備測量得到的6016鋁合金的FLC曲線位于由Hill48和Hill79預測的FLC曲線的上方，并且有較大的誤差，左側的誤差率分別是34%和36%,右側的誤差在18%左右，總體趨勢大體一致。

圖6 實驗測得的FLD

3) 在使用理論預測6016鋁合金的FLC時候，無論是Keeler還是Hill48或Hill79都無法做到準確預測，但是采用Hill48或Hill79預測的結果比較安全。

4) keeler公式得到的曲線相對更加接近實驗數據，但是其右側部分和實驗數據趨勢相差較大，表明keeler公式并不適用于鋁合金的預測。

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