CN116206712A - 一种提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法，属于金属结构性能设计领域。该方法根据变厚度金属薄壁结构件厚度分布形式及不同应用场景目标需求，设计不同厚度区域的性能分布，通过差异化热处理技术调控不同厚度区域金属的微观组织，得到目标屈服强度具体分布，提高变厚度金属薄壁结构件的均匀延伸率及在后续成形时的整体变形能力，从而扩大变厚度结构的实际应用范围，为变厚度零部件的推广应用提供助力。
Description
技术领域
本发明涉及金属结构性能设计技术领域，具体而言，尤其涉及一种提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法。
背景技术
节能减排大背景下，变厚度金属薄壁结构件因其具有厚度变化特性，可随外部载荷分布情况灵活调整零部件各位置厚度等特点，能够实现保证服役性能基础上的结构减重而备受各行业关注，现已广泛应用于汽车制造领域及其它工业领域。然而，由于变厚度金属薄壁结构件自身具有的厚度变化特性，其在后续成形时的金属内部应力应变分布、金属流动规律及各部分变形速度等成形特征相较于等厚度薄壁结构件更加复杂，因此控制难度极大。为将变厚度薄壁结构件成形为理想变厚度零部件，国内外研究学者做出了大量工作，如采用柔性模块化模具系统对不同区域的模具高度进行灵活调整而提高其成形性，如采用模拟及优化方法对变厚度结构件的成形工艺流程进行优化等。上述方法虽可以提高变厚度金属薄壁结构件成形性，但需对整个成形系统进行较大改动，且只针对某一规格尺寸固定的变厚度结构件。当变厚度结构件尺寸变化时需对成形系统进行重新设计、改造和优化等一系列工作，降低了设计制造灵活性，限制了变厚度结构件的应用。因此，若能将变厚度结构件本征特性作为抓手，通过调控变厚度结构件力学性能分布特性来推迟薄弱区域的塑性失稳进程，不仅能降低制造工艺难度，还可提高变厚度结构件整体延伸率，有利于提高变厚度结构件后续成形性能。
发明内容
根据上述提出的现有方法需对整个成形系统进行较大改动，且只针对某一规格尺寸固定的变厚度结构件；当变厚度结构件尺寸变化时需对成形系统进行重新设计、改造和优化等一系列工作，降低了设计制造灵活性，限制了变厚度结构件的应用的技术问题，而提供一种提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法。本发明主要利用差异化热处理技术及工艺使变厚度零部件不同厚度区域的力学性能分布满足设计目标，实现不同厚度区域初始承载载荷水平相同，从而提高结构整体延伸率及后续成形时的成形性能。
本发明采用的技术手段如下：
一种提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法，包括如下步骤：
S1、建立第一模型和第二模型，所述第一模型为变厚度金属薄壁结构件所用金属材料材质、结构形状及具体尺寸，所述第二模型为根据实际服役需求选定的变厚度金属薄壁结构件的厚度分布形式；
S2、建立第三模型和第四模型，所述第三模型为根据第一模型和第二模型，通过创新工艺技术或组合工艺技术制备得到的变厚度金属薄壁结构件；所述第四模型为根据第一模型、第二模型和第三模型获得的变厚度金属薄壁结构件的基准延伸率；
S3、建立第五模型和第六模型，所述第五模型为根据第二模型和第三模型获得的初始屈服强度力学性能数据；所述第六模型为根据第四模型和第五模型获得的变厚度金属薄壁结构件的目标延伸率；
S4、建立第七模型，所述第七模型为对第五模型进行拟合曲线获得的初始屈服强度随厚度变化的连续曲线，即初始屈服强度具体分布；
S5、建立第八模型，所述第八模型为根据第四模型、第五模型和第六模型获得的目标屈服强度具体分布，即目标屈服强度随厚度变化的连续曲线；
S6、根据第二模型、第七模型和第八模型获得目标屈服强度具体分布与初始屈服强度具体分布之间的差异强度，制定差异化热处理工艺；利用差异化热处理技术对变厚度金属薄壁结构件进行性能调控，通过调整截面承载能力水平控制提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的程度及在后续成形时整体变形能力的提高幅度。
进一步地，所述变厚度金属薄壁结构件的壁厚为0.5 mm～4.5 mm；所述延伸率为均匀延伸率。
进一步地，所述基准延伸率通过如下步骤获得：
步骤一：根据结构具体尺寸及厚度分布形式，设计变厚度单向拉伸标准试样几何尺寸；结构具体形状为板材或带材时，几何尺寸包括试样总长度、原始标距、平行段长度、平行段原始宽度、夹持端宽度及过渡圆弧半径；结构具体形状为线材时，几何尺寸包括试样总长度或原始标距；结构具体形状为管材时，几何尺寸包括试样总长度、原始标距和夹持端高度；
步骤二：通过位置选取，采用电火花线切割技术切取具有厚度过渡区的变厚度单向拉伸标准试样，对其进行至少3组单向拉伸力学性能重复测试，将外载出现极高位置处的试样伸长率视作该试样的均匀延伸率，对各组试样拉伸测试得到的均匀延伸率平均处理获得变厚度金属薄壁结构件的基准延伸率；其中，所述厚度过渡区包含在变厚度单向拉伸标准试样的平行段原始标距内；所述变厚度单向拉伸标准试样的平行段宽度均一，不随厚度变化而发生改变；
步骤三：利用有限元仿真软件构建变厚度金属薄壁结构件标准拉伸试样模型，并对其单向拉伸过程进行模拟，将模拟结果与实验结果进行对比验证，以确保有限元模型准确性。
进一步地，所述目标延伸率的选定包括如下步骤：
步骤1：根据结构厚度分布形式选取最大厚度和最小厚度，以其为上下限等分位数离散选取N个厚度，通过创新工艺技术制备出N个等厚度金属薄壁结构件，N个等厚度金属薄壁结构件的N个等厚度数值与等分位数离散选取的N个厚度一一对应；其中，N个等厚度金属薄壁结构件的制造技术与制备变厚度金属薄壁结构件的制造技术相同，N个等厚度金属薄壁结构件之间的制造技术相同；所述N为等分位离散数量，且N≥2，所需结果精确度要求愈高时N值取值愈大；
步骤2：根据步骤一和步骤二方法制备对应N个厚度的等厚度单向拉伸标准试样，分别对各试样进行单向拉伸力学性能测试，获得对应N个厚度试样的初始屈服强度等力学性能数据；
步骤3：基于步骤2中得到的对应N个厚度试样的初始屈服强度，选定该金属材料最大屈服强度和热处理调控力学性能实际能够达到的最小屈服强度，以最小厚度与最大屈服强度乘积、最大厚度与最小屈服强度乘积为承载载荷水平的上下限，具体分为以下几种情况：
① 最大厚度与最小屈服强度乘积大于最小厚度与最大屈服强度乘积时，最大厚度与最小屈服强度乘积为承载载荷水平的上限，最小厚度与最大屈服强度乘积则为承载载荷水平的下限；
② 最大厚度与最小屈服强度乘积小于最小厚度与最大屈服强度乘积时，最大厚度与最小屈服强度乘积为承载载荷水平的下限，最小厚度与最大屈服强度乘积则为承载载荷水平的上限；
③ 最大厚度与最小屈服强度乘积等于最小厚度与最大屈服强度乘积时，承载载荷水平不存在上下限，为均一值；
所述最大屈服强度为对应N个厚度试样初始屈服强度中最大值；
所述最小屈服强度为热处理调控力学性能实际能够达到的最小值；
步骤4：分别以承载载荷水平上限和下限为对象，根据各厚度区域截面承载载荷计算公式，计算得到两组屈服强度随厚度分布情况，具体计算公式如下：
式中，N代表选取的不同厚度编号；F i 代表步骤3计算得到的承载载荷水平上限或下限；
为结构厚度变化范围内除最小厚度值或最大厚度值以外的其它厚度位置屈服强度，/>
为结构厚度变化范围内除最小厚度值或最大厚度值以外的其它厚度；
步骤5：确定目标延伸率的上限和下限
根据结构具体尺寸及厚度分布形式，设计变厚度单向拉伸标准试样几何尺寸，利用有限元仿真软件构建变厚度金属薄壁结构件标准拉伸试样模型，并对其单向拉伸过程进行模拟，将外载出现极高位置处的试样伸长率视作该试样的均匀延伸率；变厚度金属薄壁结构件标准试样模型中同时赋予厚度分布情况和步骤4中得到的屈服强度分布情况；当赋予承载载荷水平上限和计算得到的屈服强度分布情况时，获得的均匀延伸率为目标延伸率的下限；当赋予承载载荷水平下限和计算得到的屈服强度分布情况时，获得的均匀延伸率为目标延伸率的上限；
步骤6：根据需求选定目标延伸率，具体分为以下几种情况：
① 所需目标产品性能要求为大幅提高延伸率时，选择目标延伸率上限或上限附近；
② 所需目标产品性能要求为小幅提高延伸率时，选择目标延伸率下限或下限附近；
③ 所需目标产品性能要求为适当提高延伸率时，选择目标延伸率中位线或中位线附近；
所述目标延伸率≥基准延伸率；
步骤7：以承载载荷为Y轴、均匀延伸率为X轴绘制平面直角坐标系，将步骤3和步骤5中得到的承载载荷水平上下限及对应目标延伸率上下限绘制于该平面直角坐标系中，将承载载荷水平上限及下限用线性连接，将选定的目标延伸率所在X轴位置作竖线，其与承载载荷连接线相交位置的Y轴高度为目标延伸率对应承载载荷水平，再根据步骤4中的计算公式（1），通过选定的目标延伸率对应承载载荷水平计算得到目标屈服强度随厚度变化的连续曲线。
进一步地，差异化热处理工艺制定步骤如下：
步骤1.1：依照步骤一和三构建变厚度金属薄壁结构件标准拉伸试样有限元模型，并将步骤7中的目标屈服强度及厚度分布情况赋予模型中，对其单向拉伸过程进行模拟，将载荷出现极高位置处的试样伸长率视作该试样的均匀延伸率，并与目标延伸率进行对比验证；
步骤2.1：以初始屈服强度为Y轴、厚度为X轴绘制平面直角坐标系，将步骤2中得到的N个厚度试样初始屈服强度和厚度数值放置于平面直角坐标系中，利用拟合曲线将获得的N个厚度初始屈服强度平滑连接，获得初始屈服强度随厚度变化的连续曲线；
步骤3.1：以差异强度为Y轴、厚度为X轴绘制平面直角坐标系，将初始屈服强度随厚度变化的连续曲线与目标屈服强度随厚度变化的连续曲线绘制于平面直接坐标系中，对同一厚度位置下的目标屈服强度与初始屈服强度相减，获得目标屈服强度具体分布与初始屈服强度具体分布之间的差异强度，以其为目标制定差异化热处理工艺；
所述差异化热处理工艺制定可以分为以下几种情况：
① 产品某一厚度位置目标屈服强度高于初始屈服强度时，该位置热处理工艺制定根据所选金属材料热处理性能变化规律进行调控，提高该位置屈服强度数值至目标屈服强度；
② 产品某一厚度位置目标屈服强度低于初始屈服强度时，该位置热处理工艺制定根据所选金属材料热处理性能变化规律进行调控，降低该位置屈服强度数值至目标屈服强度；
③ 产品某一厚度位置目标屈服强度等于初始屈服强度时，该位置不进行热处理；
所述初始屈服强度和目标屈服强度在所选金属材料热处理可调控范围内。
进一步地，所述厚度分布形式分为以下几种情况：
① 目标产品的厚度变化方向为纵向或横向，或为纵向横向同时变化；
② 目标产品的厚度变化特征包括连续变化和突变；所述连续变化为厚度呈线性变化，或为厚度呈非线性变化；
③ 目标产品包括至少0个厚度过渡区或0个等厚度区，其中，目标产品包括多个厚度过渡区及等厚度区，或为互相组合成的复杂变厚度产品，所述等厚度区包括相同厚度的薄区或厚区；
④ 目标产品的厚度变化形式至少包括单调递增、单调递减、先减后增、先增后减或突变等中的一组简单形式，或多组简单形式的组合。
进一步地，所述创新工艺技术至少包括动态变辊缝轧制技术、横向变厚度轧制技术、行星轧制技术、连续铸轧技术、柔性环轧技术、激光拼焊技术、补丁板技术、柔性模具可调挤压技术、柔性模具可调拉拔技术、3D打印技术或高压铸造技术等；所述组合工艺技术为创新工艺技术与后续成形技术的结合，所述后续成形技术包括冲压、冲裁、弯曲、拉深、成形及特种成形工艺等。
进一步地，所述差异化热处理技术包括差异化加热技术和差异化冷却技术；所述差异化加热技术为整体式差异化加热技术或局部式差异化加热技术，或整体式差异化加热技术和局部式差异化加热技术的组合形式；所述整体式差异化加热技术至少包括动态感应加热控温技术、梯度感应加热线圈技术、分区自阻加热技术、激光热处理技术、温度控制接触加热技术或分区加热型热处理炉等，所述局部式差异化加热技术至少包括局部感应加热技术、局部电阻加热技术、选择性激光热处理技术、部分接触加热技术或盐浴炉等；所述差异化冷却技术至少包括动态介质冷却技术、梯度介质冷却技术、分区介质冷却技术、梯度接触冷却技术或分区接触冷却技术等，所述介质至少包括空气、保护气氛、水、盐水、碱水或油等。
进一步地，所述金属材料材质为可通过热处理调控力学性能的常规金属材质，至少包括碳钢、合金钢、铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金或钛及钛合金等。
进一步地，所述结构形状至少包括板材、带材、线材或管材等；所述线材的截面形状至少包括圆形、方形、椭圆形、梯形或异形等；所述管材的截面形状为简单形状或复杂形状，所述简单形状至少包括圆形、方形、椭圆形、菱形或多边形等，所述复杂形状至少包括波纹形、双凸形、双凹形或圆锥形等；所述结构具体尺寸根据目标产品的尺寸要求确定。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明针对厚度不均匀的变厚度结构件，提出了提高其均匀延伸率及后续成形性能的性能分布设计方法。该方法不仅能使变厚度结构件不同厚度区域材料在拉伸过程中同步屈服，还可显著推迟变厚度结构件薄弱区域产生塑性失稳的进程，同时增强不同厚度区域在拉伸过程中的整体协调变形能力。通过本发明设计制造的变厚度结构件，不仅其均匀延伸率能够得到显著提升，其后续成形性能也得到明显改善，为解决变厚度结构件成形性能差的实际问题提供了可行性的解决方案。
基于上述理由本发明可在金属结构性能设计等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计及制备流程图。
图2为本发明变厚度金属板材厚度分布形式示意图，其中（a）为过渡区长度，（b）为过渡区形状，（c）为多用途类型。
图3为本发明变厚度金属管材厚度分布形式示意图，其中（a）为过渡区长度，（b）为多用途类型，（c）为过渡区数量。
图4为本发明纵向、横向及三维变厚度金属薄壁结构件示意图，其中（a）为纵向变厚度，（b）为横向变厚度，（c）为三维变厚度。
图5为本发明实施例1中变厚度板材几何形状示意图，其中（a）为俯视图，（b）为正视图。
图6为本发明实施例1中变厚度单向拉伸标准试样几何尺寸示意图。
图7为本发明实施例2中变厚度板材几何形状示意图，其中（a）为俯视图，（b）为正视图。
图8为本发明实施例2中变厚度单向拉伸标准试样几何尺寸示意图。
图9为本发明实施例1中变厚度拉伸试样单向拉伸载荷-位移曲线图。
图10为本发明实施例1中选取承载载荷水平上下限时对应变厚度拉伸试样单向拉伸载荷-位移曲线图。
图11为本发明实施例1中选取承载载荷水平上下限时对应不同厚度区域材料的屈服强度示意图。
图12为本发明实施例1中选取目标延伸率时对应不同厚度区域材料的屈服强度示意图。
图13为本发明实施例1中目标屈服强度分布与初始屈服强度分布间的差异强度示意图。
图14为本发明实施例1中为实现目标屈服强度分布的差异化热处理工艺示意图，其中（a）为差异化加热及保温处理，（b）为差异化冷却处理。
图15为本发明实施例2中变厚度拉伸试样单向拉伸载荷-位移曲线图。
图16为本发明实施例2中选取承载载荷水平上下限时对应不同厚度区域材料的屈服强度示意图。
图17为本发明实施例2中选取承载载荷水平上下限时对应变厚度拉伸试样单向拉伸载荷-位移曲线图。
图18为本发明实施例2中目标屈服强度分布与初始屈服强度分布间的差异强度示意图。
图19为本发明实施例2中为实现目标屈服强度分布的差异化热处理工艺示意图，其中（a）为差异化加热及保温处理，（b）为差异化冷却处理。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明提供了一种提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法，该方法根据变厚度金属薄壁结构件厚度分布形式及不同应用场景目标需求，设计不同厚度区域的性能分布，通过差异化热处理技术调控不同厚度区域金属的微观组织，得到目标屈服强度具体分布，提高变厚度金属薄壁结构件的均匀延伸率及在后续成形时的整体变形能力，从而扩大变厚度结构的实际应用范围，为变厚度零部件的推广应用提供助力。
所述的一种提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法，包括如下步骤：
首先确定所用金属材料材质、结构形状及具体尺寸，根据实际服役需求选定厚度分布形式；通过创新工艺技术或组合工艺技术制备变厚度金属薄壁结构件，根据变厚度金属薄壁结构件基准延伸率及目标延伸率选定目标屈服强度具体分布，使用差异化热处理技术及工艺实现目标屈服强度具体分布，通过调整截面承载能力水平控制提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的程度及在后续成形时整体变形能力的提高幅度；整体设计流程图如图1所示。
所述薄壁结构件壁厚为0.5 mm～4.5 mm。
所述延伸率为均匀延伸率。
作为优选的实施方式，所述金属材料材质包括碳钢、合金钢、铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金、钛及钛合金等可通过热处理调控力学性能（通过改变金属内部的显微组织，调控金属的本征性能，强度可调控波动范围≥10%）的常规金属材质。
作为优选的实施方式，所述结构具体形状包括板材（如图2所示）、带材、线材、管材（如图3所示）等，所述线材的截面形状包括圆形、方形、椭圆形、梯形和异形等，所述管材的截面形状包括圆形、方形、椭圆形、菱形、多边形等简单形状，也可以包括波纹形、双凸形、双凹形、圆锥形等复杂形状，所述结构具体尺寸根据目标产品的尺寸要求确定。
作为优选的实施方式，所述厚度分布形式可以分为以下几种情况：
① 目标产品其厚度变化方向可以是纵向或横向（二维变厚度），也可以纵向横向同时变化（三维变厚度），如图4所示；
② 目标产品其厚度变化特征包含连续变化和突变；所述连续变化可以是厚度呈线性变化，也可以是厚度呈非线性变化；
③ 目标产品包含至少0个厚度过渡区或0个等厚度区（目标产品包含0个厚度过渡区时至少包含1个厚度突变区及2个等厚度区，目标产品包含0个等厚度区时全部为厚度过渡区），可以包含多个厚度过渡区及等厚度区，或可以互相组合成为复杂变厚度产品，所述等厚度区包含相同厚度的薄区或厚区；
④ 目标产品其厚度变化形式包含单调递增、单调递减、先减后增、先增后减、突变等简单形式或多组简单形式的组合。
作为优选的实施方式，所述创新工艺技术包含动态变辊缝轧制技术、横向变厚度轧制技术、行星轧制技术、连续铸轧技术、柔性环轧技术、激光拼焊技术、补丁板技术、柔性模具可调挤压技术、柔性模具可调拉拔技术、3D打印技术、高压铸造技术等；所述组合工艺技术为创新工艺技术与后续成形技术的结合；所述后续成形包括冲压、冲裁、弯曲、拉深、成形及特种成形工艺等。
作为优选的实施方式，所述基准延伸率通过如下步骤获得：
步骤一：根据结构具体尺寸及厚度分布形式，依照GB/T 228.1-2021《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》设计变厚度单向拉伸标准试样几何尺寸；结构具体形状为板材或带材时所述几何尺寸包括试样总长度、原始标距、平行段长度、平行段原始宽度、夹持端宽度及过渡圆弧半径，结构具体形状为线材时所述几何尺寸包括试样总长度或原始标距，结构具体形状为管材时所述几何尺寸包括试样总长度、原始标距，夹持端高度；
步骤二：通过位置选取，采用电火花线切割技术切取具有厚度过渡区的变厚度单向拉伸标准试样，对其进行至少3组单向拉伸力学性能重复测试，将外载出现极高位置处的试样伸长率视作该试样的均匀延伸率，对3组试样拉伸测试得到的均匀延伸率进行平均处理获得变厚度金属薄壁结构件的基准延伸率；
步骤三：利用有限元仿真软件构建变厚度金属薄壁结构件标准拉伸试样模型并对其单向拉伸过程进行模拟，将模拟结果与实验结果进行对比验证以确保有限元模型准确性。
所述厚度过渡区应包含在变厚度单向拉伸标准试样平行段原始标距内；
所述变厚度单向拉伸标准试样平行段宽度均一，不随厚度变化而发生改变。
作为优选的实施方式，所述目标延伸率的选定包括如下步骤：
步骤1：根据结构厚度分布形式选取最大厚度和最小厚度，以其为上下限等分位数离散选取N个厚度，通过创新技术及工艺制备出N个等厚度金属薄壁结构件，其N个等厚度数值与等分位数离散选取的N个厚度一一对应。
所述制造技术及工艺与制备变厚度金属薄壁结构件制造技术及工艺相同；
所述N个等厚度金属薄壁结构件之间制造技术及工艺相同。
所述N为等分位离散数量，且N≥2，所需结果精确度要求愈高时N值应取愈大。
步骤2：根据步骤一和步骤二方法制备对应N个厚度的等厚度单向拉伸标准试样，分别对其进行单向拉伸力学性能测试获得对应N个厚度试样的初始屈服强度等力学性能数据。
步骤3：基于步骤2中得到的对应N个厚度试样的初始屈服强度，选定该金属材料最大屈服强度和热处理调控力学性能实际能够达到的最小屈服强度，以最小厚度与最大屈服强度乘积及最大厚度与最小屈服强度乘积为承载载荷水平的上下限，具体分为以下几种情况：
① 最大厚度与最小屈服强度乘积大于最小厚度与最大屈服强度乘积时，最大厚度与最小屈服强度乘积为承载载荷水平的上限，最小厚度与最大屈服强度乘积则为承载载荷水平的下限；
② 最大厚度与最小屈服强度乘积小于最小厚度与最大屈服强度乘积时，最大厚度与最小屈服强度乘积为承载载荷水平的下限，最小厚度与最大屈服强度乘积则为承载载荷水平的上限；
③ 最大厚度与最小屈服强度乘积等于最小厚度与最大屈服强度乘积时，承载载荷水平不存在上下限，为均一值。
所述最大屈服强度为对应N个厚度试样初始屈服强度中最大值。
所述最小屈服强度为热处理调控力学性能实际能够达到的最小值。
步骤4：分别以承载载荷水平上限和下限为对象，根据各厚度区域截面承载载荷计算公式，计算得到两组屈服强度随厚度分布情况，具体公式如下：
式中，N代表选取的不同厚度编号；F i 代表步骤3计算得到的承载载荷水平上限或下限；
为结构厚度变化范围内除最小厚度值或最大厚度值以外的其它厚度位置屈服强度，/>
为结构厚度变化范围内除最小厚度值或最大厚度值以外的其它厚度。
步骤5：确定目标延伸率的上限和下限
根据结构具体尺寸及厚度分布形式，依照GB/T 228.1-2021《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》设计变厚度单向拉伸标准试样几何尺寸，利用有限元仿真软件构建变厚度金属薄壁结构件标准拉伸试样模型并对其单向拉伸过程进行模拟，将外载出现极高位置处的试样伸长率视作该试样的均匀延伸率；所述变厚度金属薄壁结构件标准试样模型中需要同时赋予厚度分布情况和步骤4中得到的屈服强度分布情况；当赋予承载载荷水平上限时计算得到的屈服强度分布情况时获得的均匀延伸率为目标延伸率的下限，当赋予承载载荷水平下限时计算得到的屈服强度分布情况时获得的均匀延伸率为目标延伸率的上限。
步骤6：根据需求选定目标延伸率，具体分为以下几种情况：
① 所需目标产品性能要求为大幅提高延伸率时，选择目标延伸率上限或上限附近；
② 所需目标产品性能要求为小幅提高延伸率时，选择目标延伸率下限或下限附近；
③ 所需目标产品性能要求为适当提高延伸率时，选择目标延伸率中位线或中位线附近。
所述目标延伸率≥基准延伸率。
步骤7：以承载载荷为Y轴、均匀延伸率为X轴绘制平面直角坐标系，将步骤3和步骤5中得到的承载载荷水平上下限及对应目标延伸率上下限绘制于该平面直角坐标系中，将承载载荷水平上限及下限用线性连接，将选定的目标延伸率所在X轴位置作竖线，其与承载载荷连接线相交位置的Y轴高度为目标延伸率对应承载载荷水平，再根据步骤4中计算公式（1），通过选定的目标延伸率对应承载载荷水平计算得到目标屈服强度随厚度变化的连续曲线。
所述目标屈服强度具体分布为目标屈服强度随厚度变化的连续曲线数据。
作为优选的实施方式，所述差异化热处理技术包括差异化加热技术和差异化冷却技术两类；所述差异化加热技术包括动态感应加热控温技术、梯度感应加热线圈技术、分区自阻加热技术、激光热处理技术、温度控制接触加热技术、分区加热型热处理炉等整体式差异化加热技术或局部感应加热技术、局部电阻加热技术、选择性激光热处理技术、部分接触加热技术、盐浴炉等局部式差异化加热技术或整体式差异化加热技术和局部式差异化加热技术的组合形式；所述差异化冷却技术包括动态介质冷却技术、梯度介质冷却技术、分区介质冷却技术、梯度接触冷却技术、分区接触冷却技术等，所述介质包括空气、保护气氛、水、盐水、碱水、油等。
作为优选的实施方式，差异化热处理工艺制定步骤如下：
步骤1.1：依照步骤一和三构建变厚度金属薄壁结构件标准拉伸试样有限元模型，并将步骤7中的目标屈服强度及厚度分布情况赋予模型中，对其单向拉伸过程进行模拟，将载荷出现极高位置处的试样伸长率视作该试样的均匀延伸率，并与目标延伸率进行对比验证。
步骤2.1：以初始屈服强度为Y轴、厚度为X轴绘制平面直角坐标系，将步骤2中得到的N个厚度试样初始屈服强度和厚度数值放置于平面直角坐标系中，利用拟合曲线将获得的N个厚度初始屈服强度平滑连接，获得初始屈服强度随厚度变化的连续曲线。
步骤3.1：以差异强度为Y轴、厚度为X轴绘制平面直角坐标系，将初始屈服强度随厚度变化的连续曲线与目标屈服强度随厚度变化的连续曲线绘制于平面直接坐标系中，对同一厚度位置下的目标屈服强度与初始屈服强度相减，获得目标屈服强度具体分布与初始屈服强度具体分布之间的差异强度，以其为目标制定差异化热处理工艺。
所述差异化热处理工艺制定可以分为以下几种情况：
① 产品某一厚度位置目标屈服强度高于初始屈服强度时，该位置热处理工艺制定应根据所选金属材料热处理性能变化规律进行调控，提高该位置屈服强度数值至目标屈服强度；
② 产品某一厚度位置目标屈服强度低于初始屈服强度时，该位置热处理工艺制定应根据所选金属材料热处理性能变化规律进行调控，降低该位置屈服强度数值至目标屈服强度；
③ 产品某一厚度位置目标屈服强度等于初始屈服强度时，该位置不进行热处理工艺制定。
所述初始屈服强度和目标屈服强度在所选金属材料热处理可调控范围内。
实施例1
本实施例针对图1所示变辊缝轧制技术制造得到的变厚度钢板，通过差异化热处理技术设计调控其力学性能不均匀性提高其延伸率。变厚度钢板材质为HC340LA，冷轧后未进行热处理，其厚度变化方向为纵向，厚度变化特征为线性连续变化，包含一个厚度过渡区及两个等厚度区，其中厚度过渡区在中间位置，两侧为等厚度区。其具体参数为：薄区1mm厚（D1）、薄区纵向长度（L1）150mm，厚区2mm厚（D2）、厚区纵向长度（L3）860mm，厚度过渡区纵向长度（L2）100mm，板材宽度（W）为500mm，如图5所示。
提高其延伸率的设计方法如下：
步骤1、根据变厚度板具体尺寸及厚度分布形式，依照GB/T 228.1-2021《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》设计变厚度单向拉伸标准试样几何尺寸，其包含部分薄区、厚区和全部厚度过渡区，其中薄区及厚区纵向长度均设计为44.5mm，厚度过渡区纵向长度设计为100mm，薄区厚区在厚度过渡区两侧；拉伸试样具体尺寸设计为：试样总长度189mm、原始标距80mm、平行段长度（L4）100mm、平行段原始宽度（W1）12.5mm、夹持端宽度（W2）25mm、夹持端长度（L5）30mm、过渡圆弧半径（R）20mm，如图6所示。
步骤2、通过位置选取，采用电火花线切割技术切取变厚度单向拉伸标准试样，对其进行3组单向拉伸重复测试，将外载出现极高位置处的试样伸长率视作均匀延伸率，对3组试样拉伸测试得到的均匀延伸率平均处理获得变厚度板的基准延伸率为4.50%，如图9所示。
步骤3、利用有限元仿真软件构建变厚度钢板单向拉伸标准试样拉伸过程仿真模型，其试样几何尺寸与实际单向拉伸试样相同，将模拟结果与实验结果进行对比验证，误差率在5%以内，因此该仿真模型准确。
步骤4、根据轧制变厚度板的厚度分布形式选取最大厚度2mm和最小厚度1mm，以其为上下限等分位数离散选取N个厚度，2≤N，本例中选择N=11，即选取厚度依次为1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2mm，并通过轧制技术制备出11个等厚度钢板，其11个厚度数值与等分位数离散选取的11个厚度一一对应。
步骤5、根据GB/T 228.1-2021《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》制备对应11个厚度的等厚度单向拉伸标准试样，分别对其进行单向拉伸力学性能测试获得对应11个厚度试样的初始屈服强度等力学性能数据。
步骤6、所选材料为HC340LA，根据其热处理可调控力学性能可知可达到的最小屈服强度为200MPa，根据步骤5中得到的最大屈服强度为600MPa，以最小厚度1mm与最大屈服强度600MPa乘积600N为承载载荷水平的上限，将最大厚度2mm与最小屈服强度200MPa乘积400N为承载载荷水平的下限。
步骤7、分别以承载载荷水平上限和下限为对象，根据各厚度区域截面承载载荷计算公式，计算得到两组屈服强度随厚度分布情况（如图11所示），具体公式如下：
式中，N代表选取的不同厚度编号；F i 代表步骤6计算得到的承载载荷水平上限或下限；
为结构厚度变化范围内除最小厚度值1mm或最大厚度值2mm以外的其它厚度位置屈服强度，/>
为结构厚度变化范围内除最小厚度值1mm或最大厚度值2mm以外的其它厚度。
步骤8、利用有限元仿真软件构建变厚度单向拉伸标准试样拉伸过程仿真模型，其试样几何尺寸与步骤1中的实际单向拉伸试样相同。分别将步骤7中计算得到的两组屈服强度分布情况及步骤1中的几何尺寸及厚度分布情况赋予给试样模型中，如图10所示当赋予承载载荷水平上限600N时获得的均匀延伸率6.94%为目标延伸率的下限，当赋予承载载荷水平上限400N时获得的均匀延伸率9.17%为目标延伸率的上限，目标延伸率均高于4.50%的基准延伸率。
步骤9、根据需求选定目标延伸率，本例中选择目标延伸率的中位线附近8%为选定目标延伸率，以承载载荷为Y轴、均匀延伸率为X轴绘制平面直角坐标系，将步骤6和步骤8中得到的承载载荷水平上下限及对应目标延伸率上下限绘制于该平面直角坐标系中，将承载载荷水平上限及下限用线性连接，将选定的目标延伸率所在X轴位置作竖线，其与承载载荷连接线相交位置的Y轴高度为500N，因此确定对应承载载荷水平为500N，按照步骤7公式（1）计算得到目标屈服强度分布情况，如图12所示。
步骤10、分别将步骤9中计算得到的目标真实应力-真实应变关系及步骤1中的几何尺寸及对应厚度分布情况赋予给变厚度钢板单向拉伸标准试样有限元模型中，利用有限元仿真软件计算预测变厚度单向拉伸标准试样拉伸过程，其试样几何尺寸与步骤1中的实际单向拉伸试样相同，结果显示赋予目标屈服强度分布后的变厚度钢板单向拉伸均匀延伸率为8.05%，与基准延伸率相比提高了79%，并与8%目标延伸率仅有0.8%的偏差。以初始屈服强度为Y轴、厚度为X轴绘制平面直角坐标系，将步骤5中得到的11个厚度试样初始屈服强度和厚度数值放置于平面直角坐标系中，利用拟合曲线将获得的11个厚度初始屈服强度平滑连接，获得初始屈服强度随厚度变化的连续曲线。此外，将目标屈服强度随厚度变化的连续曲线绘制于该平面直接坐标系中，对同一厚度位置下的目标屈服强度与初始屈服强度相减，获得目标屈服强度具体分布与初始屈服强度具体分布之间的差异强度曲线，如图13所示。
步骤11、以该差异强度曲线为依据制定差异化热处理工艺。产品某一厚度位置目标屈服强度高于初始屈服强度时，该位置热处理工艺制定应根据所选金属材料热处理性能变化规律进行调控，提高该位置屈服强度数值至目标屈服强度；产品某一厚度位置目标屈服强度低于初始屈服强度时，该位置热处理工艺制定应根据所选金属材料热处理性能变化规律进行调控，降低该位置屈服强度数值至目标屈服强度；产品某一厚度位置目标屈服强度等于初始屈服强度时，该位置不进行热处理工艺制定。
步骤12、如图14所示，选择梯度感应加热线圈技术实现轧制变厚度板升温及保温阶段各厚区位置的温度路径差异控制，选择梯度介质冷却技术实现轧制变厚度冷却阶段各厚区位置的温度路径差异控制，以此实现轧制变厚度板目标屈服强度分布，提高其延伸率及后续成形性。
实施例2
本实施例针对图2所示激光拼焊技术制造得到的激光拼焊钢板，通过差异化热处理技术设计调控其力学性能不均匀性提高其延伸率。激光拼焊钢板材质为DP590/DP780，其厚度变化方向为纵向，厚度变化特征为突变，包含厚度突变区及两个等厚度区，其中厚度突变区在中间位置，两侧为等厚度区。其具体参数为：薄区1.0mm厚（D3）、薄区纵向长度（L6）370mm，厚区1.5mm厚（D4）、厚区纵向长度（L7）540mm，板材宽度（W3）为220mm，如图7所示。
提高其延伸率的设计方法如下：
步骤1、根据激光拼焊板具体尺寸及厚度分布形式，依照GB/T 228.1-2021《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》设计激光拼焊板单向拉伸标准试样几何尺寸，包含部分薄区、厚区和厚度突变区，其中薄区及厚区纵向长度均设计为550mm，厚度突变区设计为1mm，薄区厚区在厚度突变区两侧；拉伸试样具体尺寸设计为：试样总长度（L8）110mm、原始标距25mm、平行段长度（L9）30mm、平行段原始宽度（W4）10mm、夹持端宽度（W5）15mm、过渡圆弧半径（R2）20mm，如图8所示。
步骤2、通过位置选取，采用电火花线切割技术切取激光拼焊单向拉伸标准试样，对其进行3组单向拉伸重复测试，将外载出现极高位置处的试样伸长率视作均匀延伸率，对3组试样拉伸测试得到的均匀延伸率进行平均处理获得激光拼焊板基准延伸率为8.14%，如图15所示。
步骤3、利用有限元仿真软件构建激光拼焊板单向拉伸标准试样拉伸过程仿真模型，其试样几何尺寸与实际单向拉伸试样相同，将模拟结果与实验结果进行对比验证，误差率在5%以内，因此该仿真模型准确。
步骤4、根据变厚度板的厚度分布形式选取最大厚度1.5mm和最小厚度1mm，由于该变厚度板为激光拼焊板，因此以其为选取厚度，即选取厚度依次为1mm和1.5mm，并通过创新技术制备出2个等厚度钢板，其2个厚度数值与选取的2个厚度一一对应。
步骤5、根据GB/T 228.1-2021《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》制备对应2个厚度的等厚度单向拉伸标准试样，分别对其进行单向拉伸力学性能测试获得对应2个厚度试样的初始屈服强度和延伸率等力学性能数据。
步骤6、所选材料为DP590/DP780，根据其热处理可调控力学性能可达到的最小屈服强度为300MPa，根据步骤5中得到的最大屈服强度为460MPa，以最小厚度1.0mm与最大屈服强度460MPa乘积460N为承载载荷水平上限，将最大厚度1.5mm与最小屈服强度300MPa乘积450N为承载载荷水平的下限。
步骤7、分别以承载载荷水平上限和下限为对象，根据各厚度区域截面承载载荷计算公式，计算得到两组屈服强度随厚度分布情况(如图16所示)，具体公式如下：
式中，N代表选取的不同厚度编号；F i 代表步骤6计算得到的承载载荷水平上限或下限；
为结构厚度变化范围内除最小厚度值1mm或最大厚度值1.5mm以外的其它厚度位置屈服强度，/>
为结构厚度变化范围内除最小厚度值1mm或最大厚度值1.5mm以外的其它厚度。
步骤8、利用有限元仿真软件构建激光拼焊板单向拉伸标准试样拉伸过程仿真模型，其试样几何尺寸与步骤1中的实际单向拉伸试样相同。分别将步骤7中计算得到的两组屈服强度分布情况及步骤1中的几何尺寸及厚度分布情况赋予给试样模型中，如图17所示当赋予承载载荷水平上限460N时获得的均匀延伸率8.82%为目标延伸率的下限，当赋予承载载荷水平上限450N时获得的均匀延伸率9.52%为目标延伸率的上限，目标延伸率均高于8.14%的基准延伸率。
步骤9、根据需求选定目标延伸率，本例中选择目标延伸率的上限附近9.52%为选定目标延伸率，以承载载荷为Y轴、均匀延伸率为X轴绘制平面直角坐标系，将步骤6和步骤8中得到的承载载荷水平上下限及对应目标延伸率上下限绘制于该平面直角坐标系中，将承载载荷水平上限及下限用线性连接，将选定的目标延伸率所在X轴位置作竖线，其与承载载荷连接线相交位置的Y轴高度为450N，因此确定对应承载载荷水平为450N，按照步骤7公式（1）计算得到目标屈服强度分布情况。
步骤10、分别将步骤9中计算得到的目标真实应力-真实应变关系及步骤1中的几何尺寸及对应厚度分布情况赋予给激光拼焊板单向拉伸标准试样有限元模型中，利用有限元仿真软件计算预测激光拼焊单向拉伸标准试样拉伸过程，其试样几何尺寸与步骤1中的实际单向拉伸试样相同，结果显示赋予目标屈服强度分布后的激光拼焊板单向拉伸均匀延伸率为9.46%，与基准延伸率相比提高了16.22%，并与9.52%目标延伸率仅有0.63%的偏差。以初始屈服强度为Y轴、厚度为X轴绘制平面直角坐标系，将步骤5中得到的2个厚度试样初始屈服强度和厚度数值放置于平面直角坐标系中，利用拟合曲线将获得的2个厚度初始屈服强度平滑连接，获得初始屈服强度随厚度变化的连续曲线。此外，将目标屈服强度随厚度变化的连续曲线绘制于该平面直接坐标系，对同一厚度位置下的目标屈服强度与初始屈服强度相减获得目标屈服强度具体分布与初始屈服强度具体分布之间的差异强度曲线，如图18所示。
步骤11、以该差异强度曲线为依据制定差异化热处理工艺。产品某一厚度位置目标屈服强度高于初始屈服强度时，该位置热处理工艺制定应根据所选金属材料热处理性能变化规律进行调控，提高该位置屈服强度数值至目标屈服强度；产品某一厚度位置目标屈服强度低于初始屈服强度时，该位置热处理工艺制定应根据所选金属材料热处理性能变化规律进行调控，降低该位置屈服强度数值至目标屈服强度；产品某一厚度位置目标屈服强度等于初始屈服强度时，该位置不进行热处理工艺制定。
步骤12、如图19所示，选择分区加热型热处理炉技术实现轧制变厚度板升温及保温阶段各厚区位置的温度路径差异控制，选择分区介质冷却技术实现轧制变厚度冷却阶段各厚区位置的温度路径差异控制，以此实现轧制变厚度板目标屈服强度分布，提高其延伸率及后续成形性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、建立第一模型和第二模型，所述第一模型为变厚度金属薄壁结构件所用金属材料材质、结构形状及具体尺寸，所述第二模型为根据实际服役需求选定的变厚度金属薄壁结构件的厚度分布形式；
S2、建立第三模型和第四模型，所述第三模型为根据第一模型和第二模型，通过创新工艺技术或组合工艺技术制备得到的变厚度金属薄壁结构件；所述第四模型为根据第一模型、第二模型和第三模型获得的变厚度金属薄壁结构件的基准延伸率；
S3、建立第五模型和第六模型，所述第五模型为根据第二模型和第三模型获得的初始屈服强度力学性能数据；所述第六模型为根据第四模型和第五模型获得的变厚度金属薄壁结构件的目标延伸率；
S4、建立第七模型，所述第七模型为对第五模型进行拟合曲线获得的初始屈服强度随厚度变化的连续曲线，即初始屈服强度具体分布；
S5、建立第八模型，所述第八模型为根据第四模型、第五模型和第六模型获得的目标屈服强度具体分布，即目标屈服强度随厚度变化的连续曲线；
S6、根据第二模型、第七模型和第八模型获得目标屈服强度具体分布与初始屈服强度具体分布之间的差异强度，制定差异化热处理工艺；利用差异化热处理技术对变厚度金属薄壁结构件进行性能调控，通过调整截面承载能力水平控制提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的程度及在后续成形时整体变形能力的提高幅度。
2.根据权利要求1所述的提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法，其特征在于，所述变厚度金属薄壁结构件的壁厚为0.5 mm～4.5 mm；所述延伸率为均匀延伸率。
3.根据权利要求1所述的提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法，其特征在于，所述基准延伸率通过如下步骤获得：
步骤一：根据结构具体尺寸及厚度分布形式，设计变厚度单向拉伸标准试样几何尺寸；结构具体形状为板材或带材时，几何尺寸包括试样总长度、原始标距、平行段长度、平行段原始宽度、夹持端宽度及过渡圆弧半径；结构具体形状为线材时，几何尺寸包括试样总长度或原始标距；结构具体形状为管材时，几何尺寸包括试样总长度、原始标距和夹持端高度；
步骤二：通过位置选取，采用电火花线切割技术切取具有厚度过渡区的变厚度单向拉伸标准试样，对其进行至少3组单向拉伸力学性能重复测试，将外载出现极高位置处的试样伸长率视作该试样的均匀延伸率，对各组试样拉伸测试得到的均匀延伸率平均处理获得变厚度金属薄壁结构件的基准延伸率；其中，所述厚度过渡区包含在变厚度单向拉伸标准试样的平行段原始标距内；所述变厚度单向拉伸标准试样的平行段宽度均一，不随厚度变化而发生改变；
步骤三：利用有限元仿真软件构建变厚度金属薄壁结构件标准拉伸试样模型，并对其单向拉伸过程进行模拟，将模拟结果与实验结果进行对比验证，以确保有限元模型准确性。
4.根据权利要求3所述的提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法，其特征在于，所述目标延伸率的选定包括如下步骤：
步骤1：根据结构厚度分布形式选取最大厚度和最小厚度，以其为上下限等分位数离散选取N个厚度，通过创新工艺技术制备出N个等厚度金属薄壁结构件，N个等厚度金属薄壁结构件的N个等厚度数值与等分位数离散选取的N个厚度一一对应；其中，N个等厚度金属薄壁结构件的制造技术与制备变厚度金属薄壁结构件的制造技术相同，N个等厚度金属薄壁结构件之间的制造技术相同；所述N为等分位离散数量，且N≥2，所需结果精确度要求愈高时N值取值愈大；
步骤2：根据步骤一和步骤二方法制备对应N个厚度的等厚度单向拉伸标准试样，分别对各试样进行单向拉伸力学性能测试，获得对应N个厚度试样的初始屈服强度力学性能数据；
步骤3：基于步骤2中得到的对应N个厚度试样的初始屈服强度，选定该金属材料最大屈服强度和热处理调控力学性能实际能够达到的最小屈服强度，以最小厚度与最大屈服强度乘积、最大厚度与最小屈服强度乘积为承载载荷水平的上下限，具体分为以下几种情况：
① 最大厚度与最小屈服强度乘积大于最小厚度与最大屈服强度乘积时，最大厚度与最小屈服强度乘积为承载载荷水平的上限，最小厚度与最大屈服强度乘积则为承载载荷水平的下限；
② 最大厚度与最小屈服强度乘积小于最小厚度与最大屈服强度乘积时，最大厚度与最小屈服强度乘积为承载载荷水平的下限，最小厚度与最大屈服强度乘积则为承载载荷水平的上限；
③ 最大厚度与最小屈服强度乘积等于最小厚度与最大屈服强度乘积时，承载载荷水平不存在上下限，为均一值；
所述最大屈服强度为对应N个厚度试样初始屈服强度中最大值；
所述最小屈服强度为热处理调控力学性能实际能够达到的最小值；
步骤4：分别以承载载荷水平上限和下限为对象，根据各厚度区域截面承载载荷计算公式，计算得到两组屈服强度随厚度分布情况，具体计算公式如下：
式中，N代表选取的不同厚度编号；F i 代表步骤3计算得到的承载载荷水平上限或下限；
为结构厚度变化范围内除最小厚度值或最大厚度值以外的其它厚度位置屈服强度，
为结构厚度变化范围内除最小厚度值或最大厚度值以外的其它厚度；
步骤5：确定目标延伸率的上限和下限
根据结构具体尺寸及厚度分布形式，设计变厚度单向拉伸标准试样几何尺寸，利用有限元仿真软件构建变厚度金属薄壁结构件标准拉伸试样模型，并对其单向拉伸过程进行模拟，将外载出现极高位置处的试样伸长率视作该试样的均匀延伸率；变厚度金属薄壁结构件标准试样模型中同时赋予厚度分布情况和步骤4中得到的屈服强度分布情况；当赋予承载载荷水平上限和计算得到的屈服强度分布情况时，获得的均匀延伸率为目标延伸率的下限；当赋予承载载荷水平下限和计算得到的屈服强度分布情况时，获得的均匀延伸率为目标延伸率的上限；
步骤6：根据需求选定目标延伸率，具体分为以下几种情况：
① 所需目标产品性能要求为大幅提高延伸率时，选择目标延伸率上限或上限附近；
② 所需目标产品性能要求为小幅提高延伸率时，选择目标延伸率下限或下限附近；
③ 所需目标产品性能要求为适当提高延伸率时，选择目标延伸率中位线或中位线附近；
所述目标延伸率≥基准延伸率；
步骤7：以承载载荷为Y轴、均匀延伸率为X轴绘制平面直角坐标系，将步骤3和步骤5中得到的承载载荷水平上下限及对应目标延伸率上下限绘制于该平面直角坐标系中，将承载载荷水平上限及下限用线性连接，将选定的目标延伸率所在X轴位置作竖线，其与承载载荷连接线相交位置的Y轴高度为目标延伸率对应承载载荷水平，再根据步骤4中的计算公式（1），通过选定的目标延伸率对应承载载荷水平计算得到目标屈服强度随厚度变化的连续曲线。
5.根据权利要求4所述的提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法，其特征在于，差异化热处理工艺制定步骤如下：
步骤1.1：依照步骤一和三构建变厚度金属薄壁结构件标准拉伸试样有限元模型，并将步骤7中的目标屈服强度及厚度分布情况赋予模型中，对其单向拉伸过程进行模拟，将载荷出现极高位置处的试样伸长率视作该试样的均匀延伸率，并与目标延伸率进行对比验证；
步骤2.1：以初始屈服强度为Y轴、厚度为X轴绘制平面直角坐标系，将步骤2中得到的N个厚度试样初始屈服强度和厚度数值放置于平面直角坐标系中，利用拟合曲线将获得的N个厚度初始屈服强度平滑连接，获得初始屈服强度随厚度变化的连续曲线；
步骤3.1：以差异强度为Y轴、厚度为X轴绘制平面直角坐标系，将初始屈服强度随厚度变化的连续曲线与目标屈服强度随厚度变化的连续曲线绘制于平面直接坐标系中，对同一厚度位置下的目标屈服强度与初始屈服强度相减，获得目标屈服强度具体分布与初始屈服强度具体分布之间的差异强度，以其为目标制定差异化热处理工艺；
所述差异化热处理工艺制定可以分为以下几种情况：
① 产品某一厚度位置目标屈服强度高于初始屈服强度时，该位置热处理工艺制定根据所选金属材料热处理性能变化规律进行调控，提高该位置屈服强度数值至目标屈服强度；
② 产品某一厚度位置目标屈服强度低于初始屈服强度时，该位置热处理工艺制定根据所选金属材料热处理性能变化规律进行调控，降低该位置屈服强度数值至目标屈服强度；
③ 产品某一厚度位置目标屈服强度等于初始屈服强度时，该位置不进行热处理；
所述初始屈服强度和目标屈服强度在所选金属材料热处理可调控范围内。
6.根据权利要求1-5任意一项权利要求所述的提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法，其特征在于，所述厚度分布形式分为以下几种情况：
① 目标产品的厚度变化方向为纵向或横向，或为纵向横向同时变化；
② 目标产品的厚度变化特征包括连续变化和突变；所述连续变化为厚度呈线性变化，或为厚度呈非线性变化；
③ 目标产品包括至少0个厚度过渡区或0个等厚度区，其中，目标产品包括多个厚度过渡区及等厚度区，或为互相组合成的复杂变厚度产品，所述等厚度区包括相同厚度的薄区或厚区；
④ 目标产品的厚度变化形式至少包括单调递增、单调递减、先减后增、先增后减或突变中的一组简单形式，或多组简单形式的组合。
7.根据权利要求1或4所述的提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法，其特征在于，所述创新工艺技术至少包括动态变辊缝轧制技术、横向变厚度轧制技术、行星轧制技术、连续铸轧技术、柔性环轧技术、激光拼焊技术、补丁板技术、柔性模具可调挤压技术、柔性模具可调拉拔技术、3D打印技术或高压铸造技术；所述组合工艺技术为创新工艺技术与后续成形技术的结合，所述后续成形技术包括冲压、冲裁、弯曲、拉深、成形及特种成形工艺。
8.根据权利要求1或5所述的提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法，其特征在于，所述差异化热处理技术包括差异化加热技术和差异化冷却技术；所述差异化加热技术为整体式差异化加热技术或局部式差异化加热技术，或整体式差异化加热技术和局部式差异化加热技术的组合形式；所述整体式差异化加热技术至少包括动态感应加热控温技术、梯度感应加热线圈技术、分区自阻加热技术、激光热处理技术、温度控制接触加热技术或分区加热型热处理炉，所述局部式差异化加热技术至少包括局部感应加热技术、局部电阻加热技术、选择性激光热处理技术、部分接触加热技术或盐浴炉；所述差异化冷却技术至少包括动态介质冷却技术、梯度介质冷却技术、分区介质冷却技术、梯度接触冷却技术或分区接触冷却技术，所述介质至少包括空气、保护气氛、水、盐水、碱水或油。
9.根据权利要求1所述的提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法，其特征在于，所述金属材料材质为可通过热处理调控力学性能的常规金属材质，至少包括碳钢、合金钢、铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金或钛及钛合金。
10.根据权利要求1所述的提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法，其特征在于，所述结构形状至少包括板材、带材、线材或管材；所述线材的截面形状至少包括圆形、方形、椭圆形、梯形或异形；所述管材的截面形状为简单形状或复杂形状，所述简单形状至少包括圆形、方形、椭圆形、菱形或多边形，所述复杂形状至少包括波纹形、双凸形、双凹形或圆锥形；所述结构具体尺寸根据目标产品的尺寸要求确定。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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