CN114201897B - 一种考虑冲裁历史的金属板料边部开裂预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑冲裁历史的金属板料边部开裂预测，包括以下步骤：1)构建边部开裂预测模型基本形式；2)确定金属材料本构模型；3)确定韧性断裂准则，并进行材料参数的标定；4)获得不同冲裁边部质量的剪切边拉伸试样，并获取拉伸边部断裂应变；5)获取试样不同冲裁边部状态所对应的初始损伤值；6)建立预损伤状态变量和冲裁工艺参数之间的经验公式；7)得到完整的考虑冲裁历史的金属板料边部开裂预测模型，并以此模型进行金属板料边部开裂预测。与现有技术相比，本发明考虑了冲裁造成的预损伤对材料后续成形性能影响，将预损伤状态变量和韧性断裂准则进行耦合，简化有限元仿真过程，实现高精度下金属板料边部开裂现象的快速有效预测。

Description

一种考虑冲裁历史的金属板料边部开裂预测方法

技术领域

本发明涉及金属材料冲压成形领域，尤其是涉及一种考虑冲裁历史的金属板料边部开裂预测。

背景技术

金属板料在进行扩孔，翻边等成形工艺前，一般要通过落料工序来准备批量生产的坯料，落料引起的损伤成为影响板料成形性和产生边缘裂纹的重要因素。在随后的成形过程中，即使在低于成形极限应变的情况下，裂纹也倾向于出现在剪切边缘，边缘破裂已成为研究人员和钢铁制造商关注的前沿问题，由于常规的成形极限图(FLD)和现行的韧性断裂准则(DFC)没有考虑组织预损伤，所以采用这些方法的商业数值模拟工具仍无法准确预测边部裂纹。因此，建立考虑冲裁历史的金属板料边部开裂的预测模型非常必要。

近些年来，不断有学者在已有的韧性断裂准则的基础上，尝试探索和提出可以更好的预测材料失效和边部裂纹的定量模型，Sartkulvanich等在文献“Finite elementanalysis of the effect of blanked edge quality upon stretch flanging of AHSS(CIRP Annals-Manufacturing Technology，2010,59(1):279-282.)”中，进行了 DP590的冲裁和扩孔的有限元仿真和实验。采用落料-扩孔顺序有限元仿真过程，并根据模拟结果提出了扩孔时的临界损伤值和冲裁后剪切边平均等效应变之间的定量公式，但是该公式构造较为简单，在实际运用中还是需要进行落料仿真才能得到剪切边的等效应变，不适用于具体生产实践。于翔宇等在文献“FE simulation of edge fracture consideringpredamage from blanking process(International Journal of Solids andStructures，2015,71:206-218.)”中，根据冲裁历史，提出了一种预测先进高强钢冲压成形边缘裂纹的模拟方法。首先进行冲裁模拟，获取冲裁边缘附近的预损伤值，然后在成形模拟中将其映射到冲裁边缘附近的壳单元上。在映射过程中建立了预损伤值和距离扩孔中心点半径R之间的定量关系，较好的实现了DP590 扩孔断裂的预测。但是该方法也存在公式简单，不能充分反映冲裁工艺参数对初始损伤值的影响。鞠珂在文献“非耦合韧性断裂准则的理论模型研究，上海交通大学， 2020.”中对冲裁后的QP980钢材进行翻边实验，统计其极限翻边高度，结合有限元仿真结果，得到不同冲裁工艺参数下的初始损伤值，建立预测初始损伤的经验公式，构建了一种简化的考虑冲裁历史的韧性断裂准则，并对有效性进行了验证。但是翻边高度受板料边缘轮廓和翻边工艺参数影响大，试验未直接测得断裂处的应变场数据，模型的精度受到影响。除了上述的方法外。从以上文献来看，越来越多的研究人员注意到了冲裁过程对于后续金属板料边部成形性能的影响，并开始探索冲裁工艺参数和后续成形极限之间的规律。但是提出的定量预测模型往往需要在计算成本和预测精度之间取舍，整体预测过程仍然繁琐而复杂，不能满足工业生产的需要。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑冲裁历史的金属板料边部开裂预测。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种考虑冲裁历史的金属板料边部开裂预测，包括以下步骤：

1)基于损伤累积原理，将边部损伤分为两个部分，构建边部开裂预测模型的基本形式；

2)确定待预测金属材料的本构模型，用以实现材料成形过程的有限元仿真；

3)确定韧性断裂准则，并进行材料参数的标定；

4)获得不同冲裁边部质量的剪切边拉伸试样，并使用DIC系统捕捉其拉伸边部断裂应变；

5)通过有限元模拟得到试样不同冲裁边部状态所对应的初始损伤值；

6)建立预损伤状态变量和冲裁工艺参数之间的经验公式；

7)将预损伤状态变量与韧性断裂准则进行耦合，得到完整的考虑冲裁历史的金属板料边部开裂预测模型，并以此模型进行金属板料边部开裂预测。

所述的步骤1)中，将边部开裂预测模型分为冲裁过程造成的预损伤状态变量项，以及对应于后续塑性变形累积损伤的韧性断裂准则项两部分，则边部开裂预测模型的基本形式的表达式为：

其中，w(σ)为与应力张量σ相关的权重函数，D_f为韧性断裂时的阈值，

为断裂时的等效应变，

为等效塑性应变增量，D₀为预损伤状态变量的值，即初始损伤值。

所述的步骤2)中，为了更准确的建立有限元仿真模型，采用标准塑性理论描述金属板料的塑性行为，从三个方面确定本构模型，即屈服函数、流动准则以及硬化模型。

所述的步骤3)中，为适用较大范围的变形路径，且材料参数的确定较为简单，所选择的韧性断裂准则具体为：

其中，L为Lode参数，η为应力三轴度，C₁、C₂、C₃分别为材料参数。

所述的步骤3)中，根据材料在不同应力状态下的断裂应变和应力三轴度数据，采用曲面拟合方法对韧性断裂准则项进行材料参数的标定，具体为：

设计不同几何形状的拉伸试样，通过DIC系统获得其断裂时刻的应变，取断裂前一刻Mises应变最大值作为断裂时刻的应变值，然后利用步骤2)中确定的本构模型建立拉伸试样的有限元仿真模型，进而模拟得到断裂点的应力状态数据，基于实验和仿真得到的断裂应变和应力状态数据，标定韧性断裂准则项中的材料参数。

所述的步骤4)中，通过设计的冲裁模具获得不同冲裁边部状态下的剪切边拉伸试样，并使用DIC系统捕捉捕捉拉伸试样断裂时刻的边部应变值并激励，所述的冲裁模具包括相互配合的四个凹模镶块和三个凸模镶块，用以获得不同边缘质量的狗骨试样。

所述的步骤5)具体为：

通过不断迭代初始损伤值D₀，使得仿真得到的拉伸试样边部断裂应变与步骤 4)试验记录的边部应变值相等，进而得到不同边部状态下的预损伤状态变量的值。

所述的步骤6)中，不同冲裁边部状态对应不同的预损伤状态变量，且两者之间具有对应关系，依据预损伤状态变量随冲裁工艺参数变化的单调性采用函数模型建立经验公式。

考虑材料厚度的影响，选择冲裁间隙和刃口角度作为自变量，构建的预损伤状态变量和冲裁工艺参数之间的经验公式具体为：

其中，a、b、c、d分别为材料参数，p为冲裁间隙，

为刃口角度，f₁、f₂分别为函数模型。

所述的完整的考虑冲裁历史的金属板料边部开裂预测模型的表达式为：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明考虑了不同冲裁工艺参数造成的边部损伤对金属板料后续成形性能的影响，基于损伤累积原理，提出了预损伤状态变量的概念，建立了清晰的损伤衡量指标，方便有限元建模使用。

二、本发明考虑了不同冲裁工艺参数造成的边部损伤对金属板料后续成形性能的影响，建立了预损伤状态变量和冲裁工艺参数之间的经验公式，并结合韧性断裂准则，提出了一种方便实用的考虑冲裁历史的边部开裂预测模型。

三、本发明考虑了不同冲裁工艺参数造成的边部损伤对金属板料后续成形性能的影响，简化了有限元仿真过程，在保证预测精度和仿真效率的基础上，实现了冲裁工艺下金属板料边部开裂的方便预测。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为线性组合硬化模型下的载荷-位移曲线图。

图3为不同形状拉伸试样尺寸图，其中，图(3a)为纯剪切试样，图(3b) 为中心带孔试样，图(3c)为缺口试样(R＝5mm)，图(3d)为缺口试样(R＝10mm)。

图4为冲裁过程示意图。

图5为拉伸狗骨试样示意图。

图6为不同冲裁工艺方案下的初始损伤值D₀柱状图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

在金属板料的冲裁过程中所造成的显微组织、力学性能和边缘质量的变化影响了金属板料的边部破裂，因此，在预测金属材料的边部开裂时冲裁历史的作用不可忽略，本发明基于实验数据和有限元仿真结果，将边缘质量引进韧性断裂准则中，本发明以QP980超高强钢材料为例，提出了一种考虑冲裁历史的金属板料边部开裂预测方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：基于损伤累积原理，将边部损伤分为两个部分，提出边部开裂预测模型的基本形式。

本例中将边部开裂预测模型分为两个部分，首先是落料过程造成的预损伤状态变量项，这和冲裁所使用的工艺参数有关，然后是对应于后续塑性变形累积损伤的韧性断裂准则项，取决于选择的韧性断裂准则，由此构造出预测模型的基本形式为：

其中，D₀为冲裁造成的初始损伤，也即预损伤状态变量的值，w(σ)为与应力张量σ相关的权重函数，D_f为韧性断裂时的阈值，

为断裂时的等效应变，

为等效塑性应变增量。

在顺序有限元仿真中，D₀往往通过落料仿真得到，且为边部网格需要映射的损伤数据。因此，如何方便快速的得到不同边缘质量所对应的初始损伤值D₀，是构建该边部开裂预测模型的重点。

步骤2，为了更准确的建立有限元仿真模型，采用标准塑性理论来描述金属板料的塑性行为，从三个方面确定其本构模型：屈服函数、流动准则以及硬化模型。

屈服函数和硬化模型的形式多种多样，流动准则也分为关联流动准则和非关联流动准则，在确定所选择材料的本构关系时，可以依据实际情况选择任意合适的屈服函数、流动准则和硬化模型。

本例中选择的屈服函数为Hill’s 48屈服函数，根据狗骨状试样在三种加载方向下的单向拉伸实验，得到Lankford各向异性系数为r₀＝0.81，r₄₅＝0.86，r₉₀＝0.98，进而计算出屈服应力比R₁₁＝1，R₂₂＝1.106，R₃₃＝0.99095，R₁₂＝1.09296(假设与厚度方向有关的R₁₃和R₂₃的值为1)，为了便于研究，本例选择关联流动准则。

本例选择的硬化模型为Swift模型和Voce模型的线性组合，通过对单向拉伸均匀塑性变形阶段的实验数据进行拟合，来预测颈缩后的应力应变关系，线性组合硬化模型预测的载荷-位移曲线如图2所示，两种硬化模型的线性组合表示为：

其中，σ_mix为材料的流动应力，w代表Swift硬化模型所占的权重，其范围为 [0,1]，ε_s为材料的屈服应变，ε^p为材料的塑性应变，A、B、C、m、n均为材料参数。模型中的各个参数值分别为A＝1547MPa，n＝0.1487，ε_s＝0.00606，B＝787.8MPa，C＝474.5MPa，m＝11.57，w＝0.85。

步骤3，选择预测模型中损伤累积项所对应的韧性断裂准则，并对其进行材料参数的标定。

目前提出的韧性断裂准则有很多，不同韧性断裂准则的适用范围和参数多少均不相同。理论上，该预测模型可以选择任意已知的韧性断裂准则。韧性断裂准则中参数的标定方法也不相同。在应用时可以依据所选材料、变形方式以及参数确定复杂程度选择最为合适的韧性断裂准则及其参数标定方法。

本例中，为了适用于较大范围的变形路径，且材料参数的确定较为简单，选择胡启提出的适用于较大应力三轴度范围的韧性断裂准则，在应变路径不是比例应变的情况下，准则如下式所示：

式中，L表示Lode参数，η表示应力三轴度，

表示断裂时的等效应变，C_i表示材料参数(i＝1～3)。

本例中采用曲面拟合方法对选择的韧性断裂准则进行材料参数的标定。需要获得材料在不同应力状态下的断裂应变和应力三轴度的数据。首先设计了四种不同形状的拉伸试样，如图3所示。然后在Instron万能试验机上以0.001s^-1的应变速率进行拉伸试验，保证整个过程为准静态。每种形状的拉伸试样重复三次。并利用DIC 系统获得拉伸试样在断裂时刻的应变值。将步骤2)确定的本构模型数据输入有限元仿真软件中，建立不同形状拉伸试样的准确仿真模型，进而模拟得到断裂点的应力状态数据。基于上述断裂应变和应力状态数据，拟合得到韧性断裂准则的材料参数为C₁＝0.8148、C₂＝1.041和C₃＝0.5801。

步骤4，利用设计的冲裁模获得不同冲裁边部状态下的剪切边拉伸试样，并使用DIC系统捕捉其拉伸边部断裂应变。

本例中设计了一套剪切边拉伸的冲裁模具，以获得不同冲裁工艺参数下的拉伸试样，冲裁过程如图4所示，该模具包括四个凹模镶块和三个凸模镶块，可以得到不同边缘质量的狗骨试样，如图5所示，每个凹模镶块和每个凸模镶块的组合可以被用来制造四种冲裁间隙(5％t，10％t，15％t和20％t，t是板料的厚度)和三种刃口角度(0°，5°和10°)下的拉伸试样，一共设计了六种冲裁工艺方案。

将冲裁得到的试样进行拉伸实验，在Instron万能试验机上以4.2mm/min的速度拉伸至断裂，利用DIC设备，捕捉拉伸试样断裂时刻的边部应变值，并将其记录下来，设计的冲裁工艺方案和对应的断裂应变列在表1中。

表1不同冲裁工艺参数组合得到的拉伸断裂应变

步骤5，利用有限元模拟得到试样不同冲裁边部状态所对应的初始损伤值D₀。

可以选择不同的仿真软件来进行拉伸过程的有限元模拟，不同的有限元软件需要编写的子程序不同。在子程序中完成单元积分点应力应变数据的调用以及将给定的预损伤值赋予给特定的单元，并通过预测模型控制单元的删除。

本例中选择ABAQUS数值仿真软件，编写定义物质点场变量的VUSDFLD子程序，通过在子程序中不断迭代初始损伤值D₀，使得仿真得到的拉伸试样边部断裂应变和步骤4)记录的实验值相等，进而得到不同边部状态下的预损伤状态变量值，如图6所示。

步骤6，建立预损伤状态变量和冲裁工艺参数之间的经验公式。

不同冲裁工艺参数得到的拉伸试样的预损伤状态变量值差异明显。但预损伤状态变量和冲裁工艺参数之间存在一定的对应关系，选择对冲裁后板料边部质量影响较大的冲裁工艺参数作为研究对象，考虑厚度的影响，本例选择相对冲裁间隙P (P＝p/t)和刃口角度

来作为自变量。

本例基于步骤4)和步骤5)中的数据，根据预损伤状态变量随着刃口角度

和相对冲裁间隙P变化的单调性采用一定的函数模型拟合数据，得到的经验公式表示为：

其中，M％＝P，a、b、c为材料参数。a＝0.005892，b＝-0.141，c＝1.676。

步骤7，将预损伤状态变量和韧性断裂准则进行耦合，得到完整的考虑冲裁历史的金属板料边部开裂预测方法。

本例中将步骤6)建立的预损伤状态变量项和步骤3)选择的韧性断裂准则项结合在一起，得到了完整的考虑冲裁历史的金属板料边部开裂预测方法，即可实现冲裁后金属板料边部开裂的快速准确预测。完整的预测模型表示如下：

其中，a＝0.005892，b＝-0.141，c＝1.676，C₁＝0.8148、C₂＝1.041，C₃＝0.5801。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

Claims (4)

1.一种考虑冲裁历史的金属板料边部开裂预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)基于损伤累积原理，将边部损伤分为两个部分，构建边部开裂预测模型的基本形式；

2)确定待预测金属材料的本构模型，用以实现材料成形过程的有限元仿真；

3)确定韧性断裂准则，并进行材料参数的标定；

4)获得不同冲裁边部质量的剪切边拉伸试样，并使用DIC系统捕捉其拉伸边部断裂应变；

5)通过有限元模拟得到试样不同冲裁边部状态所对应的初始损伤值；

6)建立预损伤状态变量和冲裁工艺参数之间的经验公式；

7)将预损伤状态变量与韧性断裂准则进行耦合，得到完整的考虑冲裁历史的金属板料边部开裂预测模型，并以此模型进行金属板料边部开裂预测；

所述的步骤1)中，将边部开裂预测模型分为冲裁过程造成的预损伤状态变量项，以及对应于后续塑性变形累积损伤的韧性断裂准则项两部分，则边部开裂预测模型的基本形式的表达式为：

其中，w(σ)为与应力张量σ相关的权重函数，D_f为韧性断裂时的阈值，

为断裂时的等效应变，

为等效塑性应变增量，D₀为预损伤状态变量的值，即初始损伤值；

所述的步骤3)中，为适用较大范围的变形路径，且材料参数的确定较为简单，所选择的韧性断裂准则具体为：

其中，L为Lode参数，η为应力三轴度，C₁、C₂、C₃分别为材料参数；

所述的步骤4)中，通过设计的冲裁模具获得不同冲裁边部状态下的剪切边拉伸试样，并使用DIC系统捕捉捕捉拉伸试样断裂时刻的边部应变值并激励，所述的冲裁模具包括相互配合的四个凹模镶块和三个凸模镶块，用以获得不同边缘质量的狗骨试样；

所述的步骤6)中，不同冲裁边部状态对应不同的预损伤状态变量，且两者之间具有对应关系，依据预损伤状态变量随冲裁工艺参数变化的单调性采用函数模型建立经验公式；

考虑材料厚度的影响，选择冲裁间隙和刃口角度作为自变量，构建的预损伤状态变量和冲裁工艺参数之间的经验公式具体为：

其中，a、b、c、d分别为材料参数，p为冲裁间隙，

为刃口角度，f₁、f₂分别为函数模型；

所述的完整的考虑冲裁历史的金属板料边部开裂预测模型的表达式为：

2.根据权利要求1所述的一种考虑冲裁历史的金属板料边部开裂预测方法，其特征在于，所述的步骤2)中，为了更准确的建立有限元仿真模型，采用标准塑性理论描述金属板料的塑性行为，从三个方面确定本构模型，即屈服函数、流动准则以及硬化模型。

3.根据权利要求1所述的一种考虑冲裁历史的金属板料边部开裂预测方法，其特征在于，所述的步骤3)中，根据材料在不同应力状态下的断裂应变和应力三轴度数据，采用曲面拟合方法对韧性断裂准则项进行材料参数的标定，具体为：

设计不同几何形状的拉伸试样，通过DIC系统获得其断裂时刻的应变，取断裂前一刻Mises应变最大值作为断裂时刻的应变值，然后利用步骤2)中确定的本构模型建立拉伸试样的有限元仿真模型，进而模拟得到断裂点的应力状态数据，基于实验和仿真得到的断裂应变和应力状态数据，标定韧性断裂准则项中的材料参数。

4.根据权利要求1所述的一种考虑冲裁历史的金属板料边部开裂预测方法，其特征在于，所述的步骤5)具体为：

通过不断迭代初始损伤值D₀，使得仿真得到的拉伸试样边部断裂应变与步骤4)试验记录的边部应变值相等，进而得到不同边部状态下的预损伤状态变量的值。

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