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      基于ABAQUS的VCM深沖鋼板拉伸性能分析

      2021-11-10 10:32:44郭照燦張德海許志瀚
      輕工學(xué)報(bào) 2021年5期
      關(guān)鍵詞:層板基板力學(xué)性能

      郭照燦,張德海,許志瀚

      1.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,河南 鄭州 450002;2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,遼寧 沈陽 110000

      0 引言

      信息、能源和材料被稱為現(xiàn)代科學(xué)的三大支柱,隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,各行業(yè)對(duì)材料綜合性能的要求不斷提高[1],單一的金屬、陶瓷、高分子等工程材料難以滿足這些性能要求.材料的復(fù)合化是新材料的重要發(fā)展方向,復(fù)合材料已逐漸成為21世紀(jì)的主導(dǎo)材料之一,相比傳統(tǒng)的單一材料,復(fù)合材料性能優(yōu)異[2],廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、交通運(yùn)輸、航空航天等領(lǐng)域.

      VCM深沖鋼板屬于金屬復(fù)層板,是將鋼材進(jìn)行表面處理后輥涂或粘結(jié)氯乙烯薄膜并加熱烘烤而成,廣泛應(yīng)用在白色家電的外觀面板上,具有良好的耐腐蝕、耐磨、高比模量和高比強(qiáng)度等性能[3].與成型金屬表面進(jìn)行的單件噴涂或刷涂質(zhì)量相比,VCM深沖鋼板的涂裝質(zhì)量更加均勻,具有自重輕、強(qiáng)度高、防水和抗震性能好等優(yōu)勢(shì)[4].

      近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)金屬復(fù)層板的研究主要集中在相關(guān)力學(xué)性能及界面的設(shè)計(jì)與控制.王群驕等[5]采用軋制復(fù)合技術(shù)制備了銅/鋁復(fù)層板,研究發(fā)現(xiàn),銅/鋁復(fù)層板經(jīng)300 ℃退火處理1 h后,銅/鋁界面的結(jié)合強(qiáng)度和復(fù)層板的彎曲性能達(dá)到峰值.G.Y.Yan等[6]研究了均勻化退火處理對(duì)直接冷卻法制備的7050/6009復(fù)層板坯界面區(qū)域的組織演化、成分分布和力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明,經(jīng)均質(zhì)退火后,富鋅相和Al15(FeMn)3Si2相沉淀在雙金屬界面上,且由于晶粒粗化,雙金屬在6009合金側(cè)和界面處的維氏硬度降低.梁晉等[7]利用數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC)研究了熱處理工藝和接觸狀態(tài)對(duì)銅/鋁復(fù)層板成形極限的影響,發(fā)現(xiàn)鋁在內(nèi)層時(shí)復(fù)層板成形極限大于銅在內(nèi)層時(shí)的成形極限,且經(jīng)過退火處理的銅/鋁復(fù)層板成形性能優(yōu)于未退火時(shí)的性能.張德海等[8]將數(shù)字散斑相關(guān)方法應(yīng)用于雙金屬復(fù)層材料結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)工程變形測(cè)量,驗(yàn)證結(jié)果表明,應(yīng)變精度可提高5%.孫濤等[9]提出了一種用于爆炸焊接制備的銅/鋁復(fù)層板全場(chǎng)三維應(yīng)變測(cè)量的方法,通過Q235鋼拉伸實(shí)驗(yàn),將DIC法與引伸計(jì)變形測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了該方法的可行性.上述研究主要通過DIC法獲得復(fù)層板的力學(xué)性能和復(fù)層板界面性能的影響因素,但均未涉及利用有限元仿真[10]對(duì)復(fù)層板力學(xué)性能的研究.鑒于此,本文擬通過ABAQUS軟件對(duì)VCM深沖鋼板及其組分材料的力學(xué)性能進(jìn)行有限元仿真,獲取3種材料相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)并進(jìn)行對(duì)比分析,進(jìn)而得出VCM深沖鋼板的相關(guān)力學(xué)性能,以期為其他復(fù)層材料的力學(xué)性能測(cè)量提供參考.

      1 ABAQUS有限元仿真

      1.1 有限元模型的建立

      VCM深沖鋼板選自河南新飛電器有限公司的冰箱門外殼,其結(jié)構(gòu)組成見圖1,鋼板基板為SPCE深沖鋼板,選自韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵公司,VCM薄膜產(chǎn)自深圳市美達(dá)思裝飾材料有限公司.ABAQUS有限元軟件[11]建模方式一般分為兩種:在ABAQUS/CAE中直接建模;從其他建模軟件中導(dǎo)入已經(jīng)建好的模型.由于模型相對(duì)簡(jiǎn)單,所以本文直接在ABAQUS/CAE中建模,以避免軟件兼容性問題且不需要對(duì)導(dǎo)入模型進(jìn)行修改或修復(fù).板狀拉伸試樣模型如圖2所示.

      圖1 VCM深沖鋼板結(jié)構(gòu)組成Fig.1 VCM deep drawing steel plate structure composition

      圖2 VCM深沖鋼板結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Plate tensile specimen model

      1.2 ABAQUS有限元模擬

      ABAQUS既能分析簡(jiǎn)單的線性靜力學(xué)問題,又能解決工程中復(fù)雜模型的高度非線性問題,其有限元分析包括ABAQUS/CAE前處理、分析運(yùn)算、ABAQUS/Viewer后處理3個(gè)階段,其中分析運(yùn)算階段有ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit 兩種分析形式,ABAQUS/Standard可分析諸多領(lǐng)域的線性和非線性問題,但對(duì)于短暫、瞬時(shí)動(dòng)態(tài)事件的模擬,以及沖擊和高度不連續(xù)問題的求解不及ABAQUS/Explicit.VCM深沖鋼板及其組分材料屬于非線性材料,試樣在拉伸過程中經(jīng)歷彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和損傷演化階段[12],最終被拉斷,所以更適合用ABAQUS/Explicit進(jìn)行顯示分析.

      在前處理階段,分別建立VCM深沖鋼板、鋼板基板和VCM薄膜的有限元模型,Property模塊分別定義這3種材料的密度、彈性、塑性、損傷、演化等相關(guān)力學(xué)參數(shù),其中,VCM深沖鋼板為復(fù)合材料,其截面屬性設(shè)置為連續(xù)殼.

      分析運(yùn)算階段采用動(dòng)態(tài)顯示分析,在Step模塊創(chuàng)建新的分析步驟“Step-1”后,為其選擇“Dynamic Explicit”,設(shè)置“Time Period”為1.為節(jié)省計(jì)算時(shí)間、提高分析效率,使用“Mass scaling”,設(shè)置“Scale by factor”為1E2,然后設(shè)置相應(yīng)的場(chǎng)輸出和歷程輸出,并將輸出頻率設(shè)置為200.在Interaction模塊,將鋼板基板與VCM薄膜之間的作用類型設(shè)為“General contact(Explicit)”,并通過設(shè)置“Tangential Behavior”“Normal Behavior”“Cohesive Behavior”“Damage”“Geometric Properties”等相關(guān)參數(shù)[13]來定義鋼板基板與VCM薄膜的界面屬性.用Load模塊定義試樣模型的拉伸加速度,設(shè)置一個(gè)“ENCASTRE(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)”的邊界條件,將試樣模型一端固定,并給另一端定義一個(gè)30 mm/s2的拉伸加速度.用Mesh模塊分別對(duì)VCM深沖鋼板及其組分材料拉伸模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對(duì)于VCM深沖鋼板,選擇連續(xù)殼復(fù)合層類型,其網(wǎng)格單元選擇Continuum Shell中的SC8R單元類型[14],其余拉伸試樣模型采取仿真分析中常用的C3D8R單元類型.板狀拉伸試樣網(wǎng)格模型如圖3所示,其中,1為試樣大變形區(qū)域,對(duì)其進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化;2為變形漸變區(qū)域,靠近斷裂區(qū)處最密,逐漸稀疏;3為遠(yuǎn)離斷裂區(qū)域,采用稀疏網(wǎng)格[15].在Job模塊對(duì)要分析的模型數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個(gè)作業(yè),進(jìn)行提交計(jì)算.

      圖3 板狀拉伸試樣網(wǎng)格模型Fig.3 Grid model of plate tensile specimen

      在后處理階段顯示ODB文件中的分析計(jì)算結(jié)果,包括變形前/后的模型圖、矢量/張量符號(hào)圖、材料方向圖、各種變量的分布云圖、變量的X-Y圖表、動(dòng)畫等[16].

      2 結(jié)果與分析

      2.1 3種材料力學(xué)性能仿真結(jié)果

      在試樣的拉伸過程中,由于材料的拉伸方向是X軸方向,所以該方向的應(yīng)力、應(yīng)變可以較好地反映整個(gè)試樣的應(yīng)力、應(yīng)變變化,而Y軸和Z軸方向的應(yīng)力與應(yīng)變變化量相對(duì)較小,影響較小,可以不予考慮.鋼板基板、VCM薄膜和VCM深沖鋼板在X軸方向?qū)⒁瓟鄷r(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D如圖4和圖5所示.通過圖4和圖5可以得到3種材料在X軸方向上的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變,如表1所示.

      圖5 將要拉斷時(shí)的應(yīng)變?cè)茍DFig.5 Strain cloud diagram before breaking

      由表1可得,VCM深沖鋼板的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變均大于鋼板基板,這說明在增加VCM薄膜材料之后,增強(qiáng)了鋼板基板整體強(qiáng)度和應(yīng)變能力,VCM深沖鋼板的力學(xué)性能有所提高.

      表1 3種材料在X軸方向上的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變

      2.2 網(wǎng)格收斂性分析

      在實(shí)際工程分析中,應(yīng)采用密度足夠的網(wǎng)格以保證計(jì)算結(jié)果的精度,即網(wǎng)格收斂性研究(Grid Convergence Study,GCS).GCS的基本思想是,隨著網(wǎng)格數(shù)目的增多,空間離散所引入的誤差會(huì)逐漸趨于0.在有限元分析中,網(wǎng)格的收斂性是指隨著網(wǎng)格密度的增加,模擬所產(chǎn)生的數(shù)值結(jié)果會(huì)趨于一個(gè)唯一解.當(dāng)進(jìn)一步細(xì)分網(wǎng)格所得解的變化可忽略不計(jì)時(shí),表明網(wǎng)格收斂.

      分別更改鋼板基板、VCM薄膜和VCM深沖鋼板有限元模型網(wǎng)格的密度,其他條件保持不變,利用ABAQUS對(duì)模型進(jìn)行拉伸仿真,結(jié)果如表2—4所示.

      表2 鋼板基板網(wǎng)格模型仿真結(jié)果

      表3 VCM薄膜網(wǎng)格模型仿真結(jié)果

      表4 VCM深沖鋼板網(wǎng)格模型仿真結(jié)果

      由表2—4可知,隨著有限元模型網(wǎng)格密度的增加,3種材料的抗拉強(qiáng)度、上屈服強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變和斷后伸長(zhǎng)率的數(shù)值變化逐漸減小,呈收斂趨勢(shì),表明所得仿真結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確度.

      2.3 3種材料力學(xué)性能對(duì)比分析

      復(fù)合材料拉伸時(shí)會(huì)發(fā)生界面損傷與失效、基體損傷與失效現(xiàn)象,界面損傷脫粘并誘發(fā)基體塑性損傷和失效是導(dǎo)致復(fù)合材料斷裂的主要機(jī)理[17].VCM深沖鋼板各組分在界面處會(huì)表現(xiàn)出材料特性的不連續(xù)性,而這種不連續(xù)性易造成局部或整體的變形和斷裂行為,在整個(gè)變形過程中很難達(dá)到屈服與破壞的同步,這使材料很容易在附加應(yīng)力的作用下沿薄弱方向產(chǎn)生失效甚至斷裂[18].VCM深沖鋼板斷裂界面如圖6所示.

      圖6 VCM深沖鋼板斷裂界面Fig.6 VCM deep drawing steel plate fracture interface

      通過ABAQUS對(duì)VCM深沖鋼板、鋼板基板和VCM薄膜進(jìn)行拉伸性能仿真,3種材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示.由圖7可知,試樣在拉伸過程中的彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和損傷演化階段在圖中都有相應(yīng)的體現(xiàn).在試樣拉伸過程中,相較于鋼板基板,VCM深沖鋼板先達(dá)到屈服階段,抗拉強(qiáng)度更高,且斷裂時(shí)的應(yīng)力更大.這些都表明在鋼板基板表面輥涂VCM薄膜后,基板的強(qiáng)度與塑性得到了提升.

      圖7 3種材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves of 3 materials

      通過圖7可計(jì)算得出VCM深沖鋼板及其組分材料的抗拉強(qiáng)度、上屈服強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變和斷后伸長(zhǎng)率等相關(guān)力學(xué)參數(shù),如表5所示.

      由表5可得,VCM深沖鋼板的上屈服強(qiáng)度小于鋼板基板,且其抗拉強(qiáng)度大于鋼板基板;VCM深沖鋼板的斷裂應(yīng)變和斷后伸長(zhǎng)率均介于鋼板基板與VCM薄膜之間,且其斷裂應(yīng)變和斷后伸長(zhǎng)率均大于鋼板基板.這表明,粘結(jié)VCM薄膜后,鋼板基板塑性增強(qiáng),相較于鋼板基板,VCM深沖鋼板的綜合性能有所提高.

      表5 3種材料的力學(xué)參數(shù)

      2.4 組分材料對(duì)VCM深沖鋼板力學(xué)性能的影響

      為計(jì)算鋼板基板和VCM薄膜對(duì)VCM深沖鋼板力學(xué)性能的影響大小,引入鋼板基板的影響系數(shù)(ISTL)和VCM薄膜的影響系數(shù)(IVCM):

      其中,PSTL為鋼板基板的力學(xué)參數(shù),PCOM為VCM深沖鋼板的力學(xué)參數(shù),PVCM為VCM薄膜的力學(xué)參數(shù).

      ISTL和IVCM可用來評(píng)價(jià)復(fù)合鋼板的力學(xué)性能,并且能夠顯示鋼板基板和VCM薄膜在復(fù)層板中的作用大小及影響程度.影響系數(shù)越大,表明該組分對(duì)復(fù)層板總體性能的影響越大,反之,影響越小.由3種材料的力學(xué)參數(shù)可以得出鋼板基板和VCM薄膜對(duì)VCM深沖鋼板力學(xué)性能的影響系數(shù)如圖8所示.由圖8可知,鋼板基板對(duì)VCM深沖鋼板的抗拉強(qiáng)度和上屈服強(qiáng)度的影響較大,其中影響最大的是上屈服強(qiáng)度,其值達(dá)1.051,影響次之的是抗拉強(qiáng)度,其值為0.982,影響最小的是斷后伸長(zhǎng)率,其值為0.935;VCM薄膜對(duì)VCM深沖鋼板影響最大的是斷裂應(yīng)變,其值達(dá)7.236,其次是斷后伸長(zhǎng)率,其值為1.288,而抗拉強(qiáng)度和上屈服強(qiáng)度的影響較小,其影響系數(shù)均小于1.這說明,鋼板基板對(duì)VCM深沖鋼板的強(qiáng)度影響較大,但對(duì)塑性和延展性的影響較小,而VCM薄膜則與之相反.

      圖8 鋼板基板和VCM薄膜對(duì) VCM深沖鋼板力學(xué)性能的影響系數(shù)Fig.8 Influence coefficient of steel plate substrate and VCM film on VCM deep drawing steel plate

      3 結(jié)論

      利用ABAQUS有限元仿真軟件,通過建立VCM深沖鋼板、鋼板基板和VCM薄膜的板狀拉伸試樣模型,研究了VCM深沖鋼板力學(xué)性能與其組分材料的關(guān)系,得出以下結(jié)論:VCM深沖鋼板相較于鋼板基板在強(qiáng)度和塑性方面均有所提高;鋼板基板對(duì)VCM深沖鋼板的抗拉強(qiáng)度和上屈服強(qiáng)度的影響較大,即對(duì)VCM深沖鋼板的強(qiáng)度影響較大,VCM薄膜對(duì)VCM深沖鋼板的斷裂應(yīng)變和斷后伸長(zhǎng)率的影響較大,即對(duì)VCM深沖鋼板的塑性和延展性的影響較大.利用有限元仿真法對(duì)復(fù)層板的力學(xué)性能進(jìn)行研究,可使設(shè)計(jì)人員在預(yù)測(cè)復(fù)層板性能時(shí)減少相應(yīng)的處理工序,達(dá)到節(jié)約資源、降低成本、縮短周期的目的.下一步,將引入相關(guān)系數(shù)探究組分材料對(duì)復(fù)層板力學(xué)性能的影響,通過控制組分材料,進(jìn)一步提升金屬復(fù)層板的綜合性能.

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