CN102645522B - 一种通过量纲分析建立镀层金属板失效机制图的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于材料的加工成形领域的一种通过量纲分析建立镀层金属板在加工过程中失效机制图的方法。首先通过量纲分析建立镀层金属板失效机制图的方法。包括：采用量纲分析的Π定理，对镀层金属薄板冲压过程中所涉及的参数进行量纲分析，并建立无量纲函数关系式。然后通过有限元计算确定无量纲函数的具体表达式，从而建立起镀层金属薄板冲压过程的失效机制图。本发明避免了采用单一的成形极限图来刻画镀层金属板在加工过程中失效的问题，提供了一种简单、新颖的方法来研究镀层金属板在加工过程中失效问题。为从根本上解决失效问题提供基础。

Description

一种通过量纲分析建立镀层金属板失效机制图的方法

技术领域

本发明属于材料的加工成形领域，具体涉及一种通过量纲分析建立镀层金属板在加工过程中失效机制图的方法。

背景技术

成形极限图(Forming Limit Diagram，FLD)在金属板料的加工成形，特别是板料深冲成形过程中的失效行为，已经得到广泛应用。随着计算机技术的迅猛发展，以成形极限图为依据，将有限元数值模拟、计算机仿真与加工实验有效结合起来研究金属板料塑性加工过程中的失效行为已成为当今工程领域的研究主流。

基于金属板材料在工程领域的广泛应用，对其本身的性能要求逐步提高，为了增强金属板的耐腐蚀性、耐摩擦性及其他特性，往往要对板材的表面进行改性，即通过电镀等方法在板材表面镀上一层具有某种特性的材料，我们称这种板材为镀层金属薄板。但是针对镀层金属薄板材料的加工成形，由于存在几何非线性、材料非线性和边界非线性问题，FLD 在刻画这种材料的失效行为时遇到了很大挑战。目前，镀层金属薄板材料塑性成形过程中的失效行为主要通过FLD 来表征，重点研究基底的破坏情况，并没有考虑表面镀层的失效行为。然而，镀层在加工过程中同样会出现开裂、起皱等失效行为，这将直接影响到材料表面改性的质量。遗憾的是，现在学术界对镀层金属薄板在加工过程中镀层失效行为的表征尚未引起足够的重视，主要存在三方面的原因使得FLD 在这一研究领域遇到了很大挑战：①镀层与基底一般为不同种类的材料，二者在塑性变形时同步延伸性有差异，即存在“力学性能失配”；②由于金属镀层材料与基底材料的厚度存在较大差异，即两者之间存在“几何尺度失配”；③由于镀层在变形加工时受到模具和基底的双重边界约束以及几何结构的不均匀性，造成镀层及界面处产生复杂的变形，其变形机理非常复杂。基于这些原因，镀层金属薄板塑性加工失效机制非常复杂，仅仅依赖单一的FLD 并不能够对其失效行为进行宏观的、全方位的把握，必须另辟蹊径，探究解决这一问题的根本方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种通过量纲分析建立镀层金属板在加工过程中失效机制图的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

（1）利用量纲分析的Π定理，建立镀层金属板加工成形过程中，失效时的冲压深度(冲程) h_failure 与加工过程的各种参数之间的无量纲关系,

$h_{\mathrm{failure}}=h(F,\mathrm{\μ},r_p,r_d,d,E_c,{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yc}},v_c,n_c,t_c,E_s,{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ys}},v_s,n_s,t_s)$ ，

其中，F是压边力，μ是模具与板材之间的摩擦系数(冲头与板材，凹模与板材以及压边圈与板材之间的摩擦系数都是相同的)，r_p 是冲头(punch)的圆角半径，r_d是凹模(die)的圆角半径，d是冲头与凹模的间隙，E，σ,ν,n和t分别表示材料的杨氏模量，屈服强度，泊松比，硬化指数和厚度，下标c和s分别表示是镀层(coating)和基底(substrate)；

通过量纲分析，在不考虑参数之间耦合的情况下，在加工过程中对失效影响的参数为工艺参数，几何参数和材料参数；其中工艺参数包括：加工过程中的压边力 F，模具与板材之间的摩擦系数μ；得到无量纲的函数关系为：

$\frac{h_{\mathrm{failure}}}{t_s}=\mathrm{\Π}(\frac{F}{E_s{t}_s^2},\mathrm{\μ},\frac{r_p}{t_s},\frac{r_d}{t_s},\frac{d}{t_s},\frac{t_c}{t_s},\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yc}}}{E_s},\frac{E_c}{E_s},\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ys}}}{E_s},n_s,n_c)$

上述影响失效时冲程h_failure的各种参数中，只有应力的量纲[E]和长度的量纲[t]的量纲是独立的，其他的参数均用这两个量纲独立的参数的指数积的形式表示，选取基底的杨氏模量E_s和基底的厚度t_s；

(2) 确定工艺参数无量纲函数Π₁的具体的表达式，选取若干组工艺参数(F，μ)，基于连续介质损伤力学的有限元数值模拟，从而得到最大的冲程与无量纲的工艺参数的离散数值点，建立最大的冲程与工艺参数无量纲函数的具体表达式如下：

$\frac{h_{\mathrm{failure}}}{t_s}={\mathrm{\Π}}_1(\frac{F}{E_s{t}_s^2},\mathrm{\μ})$ ；

(3) 通过具体的函数表达式，建立针对镀层金属薄板圆筒形部件冲压成形工艺参数的失效机制图。

本发明的有益效果是由于采取以上技术方案，其具有以下优点： 这种方法避免了采用单一的成形极限图来刻画镀层金属板在加工过程中失效的问题，提供了一种简单、新颖的方法来研究镀层金属板在加工过程中失效问题。为从根本上解决失效问题提供基础。

附图说明

图1是本发明提供的通过量纲分析建立镀层金属板失效机制图的流程图；

图2是冲压过程的示意图及各部分参数的表示；

图3是有限元模型的示意图；

图4是冲压的过程中，产生起皱，断裂失效，以及成功的情况下的典型的冲力冲程曲线；

图5是考虑基于工艺参数的失效机制图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

我们选取镀镍金属板为研究对象，考虑其在五号电池冲制过程中第一道工序的变形过程，研究在第一道工序变形过程中基于工艺参数的失效机制图。

图1是采用量纲分析建立镀镍金属板在加工过程中失效机制图的整个流程的示意图。

在以镀镍金属板为基底板材冲成圆筒形件的冲压过程中，基底板材不产生起皱或断裂等失效现象情况下的冲头的最大冲程h_failure (位移)的大小体现了基底板材抵抗失效的能力。影响冲程大小的参数有很多。首先，我们列出影响最大冲程h_failurx的各种参数：

$h_{\mathrm{failure}}=h(F,\mathrm{\μ},r_p,r_d,d,E_c,{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yc}},v_c,n_c,t_c,E_s,{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ys}},v_s,n_s,t_s)$

如图2所示，表示的是典型的圆筒形件冲压过程的示意图。其中，F是压边力，μ是模具与基底板材4之间的摩擦系数(冲头1与基底板材4，凹模5与基底板材4以及模具的压边圈2与基底板材之间的摩擦系数都是相同的)，r_p 是冲头1(punch)的圆角半径，r_d是凹模5(die)的圆角半径，d是冲头1与凹模5的间隙，E，σ,ν,n和t分别表示基底板材材料的杨氏模量，屈服强度，泊松比，硬化指数和厚度，下标c和s分别表示是镀层3(coating)和基底板材4(substrate)。

基于量纲分析的Π定理，影响失效时冲程h_max的各种参数只有两种参数是量纲独立的，其他的参数都可以用这两个量纲独立的参数的指数积的形式表示，这两个独立的量纲是应力的量纲[E]和长度的量纲[t]，这样我们选取基底板材的杨氏模量E_s和基底板材的厚度t_s，可以得到无量纲的函数关系为：

$\frac{h_{\mathrm{failure}}}{t_s}=\mathrm{\Π}(\frac{F}{E_s{t}_s^2},\mathrm{\μ},\frac{r_p}{t_s},\frac{r_d}{t_s},\frac{d}{t_s},\frac{t_c}{t_s},\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yc}}}{E_s},\frac{E_c}{E_s},\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ys}}}{E_s}{n}_s,n_c)$

将这些参数分为三大类，即工艺参数，(包括压边力 F，模具与基底板材之间的摩擦系数μ); 几何参数，(包括冲头1的圆角半径r_p，凹模5的圆角半径r_d和冲头1与凹模5的间隙d以及材料参数，(包括镀层3和基底板材4的杨氏模量E，屈服强度，σ，泊松比ν,硬化指数n和厚度t等)。在不考虑参数之间耦合的情况下，我们可以得到基于工艺参数的无量纲的函数为：

$\frac{h_{\mathrm{failure}}}{t_s}={\mathrm{\Π}}_1(\frac{F}{E_s{t}_s^2},\mathrm{\μ})$ ，

然后,我们采用有限元软件ABAQUS6.6对不同的工艺参数情况下的冲压进行模拟，对镀镍金属板进行网格划分，建立有限元模型（如图3所示），在有限元模型中，模具的几何参数和金属板的材料参数如表1和表2所示。冲头，凹模和压边圈是刚体，在有限元计算的过程中不需要进行网格划分。图4表示的是在(a)起皱，(b)断裂和(c)成功的三种情况下的典型的冲力冲程曲线，表明我们的有限元模拟是可信的。图5 是得到的在工艺参数下的失效机制图。模型中的模具的参数如表1所示，镀镍金属板的材料属性如表2所示。

表1 模型中的模具的参数

表2 镀层金属板的材料属性

Claims (1)

1.一种通过量纲分析建立镀层金属板在加工过程中失效机制图的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)利用量纲分析的Π定理，建立镀层金属板加工成形过程中，失效时的冲压深度(冲程) h_failure 与加工过程的各种参数之间的无量纲关系,

$h_{\mathrm{failure}}=h(F,\mathrm{\μ},r_p,r_d,d,E_c,{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yc}},v_c,n_c,t_c,E_s,{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ys}},v_s,n_s,t_s)$ ，

其中，F是压边力，μ是模具与板材之间的摩擦系数(冲头与板材，凹模与板材以及压边圈与板材之间的摩擦系数都是相同的)，r_p 是冲头的圆角半径，r_d是凹模的圆角半径，d是冲头与凹模的间隙，E，σ,ν,n和t分别表示材料的杨氏模量，屈服强度，泊松比，硬化指数和厚度，下标c和s分别表示是镀层和基底；

通过量纲分析，在不考虑参数之间耦合的情况下，在加工过程中对失效影响的参数为工艺参数，几何参数和材料参数；其中工艺参数包括：加工过程中的压边力 F，模具与板材之间的摩擦系数μ；得到无量纲的函数关系为：

$\frac{h_{\mathrm{failure}}}{t_s}=\mathrm{\Π}(\frac{F}{E_s{t}_s^2},\mathrm{\μ},\frac{r_p}{t_s},\frac{r_d}{t_s},\frac{d}{t_s},\frac{t_c}{t_s},\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yc}}}{E_s},\frac{E_c}{E_s},\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ys}}}{E_s},n_s,n_c)$ 上述影响失效时冲程h_max的各种参数中，只有应力的量纲[E]和长度的量纲[t]的量纲是独立的，其他的参数均用这两个量纲独立的参数的指数积的形式表示，选取基底的杨氏模量E_s和基底的厚度t_s；

(2) 确定工艺参数无量纲函数Π₁的具体的表达式，选取若干组工艺参数(F，μ)，基于连续介质损伤力学的有限元数值模拟，从而得到最大的冲程与无量纲的工艺参数的离散数值点，建立最大的冲程与工艺参数无量纲函数的具体表达式如下：

$\frac{h_{\mathrm{failure}}}{t_s}={\mathrm{\Π}}_1(\frac{F}{E_s{t}_s^2},\mathrm{\μ})$ ；

(3) 通过具体的函数表达式，建立针对镀层金属薄板圆筒形部件冲压成形工艺参数的失效机制图。