CN116230143B - 一种提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法 - Google Patents
一种提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116230143B CN116230143B CN202310465968.0A CN202310465968A CN116230143B CN 116230143 B CN116230143 B CN 116230143B CN 202310465968 A CN202310465968 A CN 202310465968A CN 116230143 B CN116230143 B CN 116230143B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- thickness
- elongation
- variable
- target
- metal plate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C60/00—Computational materials science, i.e. ICT specially adapted for investigating the physical or chemical properties of materials or phenomena associated with their design, synthesis, processing, characterisation or utilisation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Metal Rolling (AREA)
Abstract
本发明提供一种提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法，首先明确变厚度金属板带材所用材料类型、牌号、几何外形尺寸及厚度非均匀分布情况，得到基准延伸率，基于制造技术确定各厚区位置材料的初始本构关系及对应承载载荷‑位移关系，根据各厚区位置材料的延伸率情况明确延伸率可调控范围，基于基准延伸率及不同服役目标需求选定目标均匀延伸率，再根据目标均匀延伸率掌握各厚区位置材料的目标本构关系，最后依据各厚区位置材料的初始本构关系及目标本构关系之间的差异情况使用差异化热处理技术及工艺对变厚度金属板带材进行性能调控，从而降低变厚度金属板带材深加工的难度，提高设计人员的可设计范围及设计灵活度。
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，尤其涉及一种提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法。
背景技术
外部环境作用下，结构承受载荷往往呈非线性分布，然而对于传统等厚度结构其厚度往往呈均匀分布。因此，为防止最大载荷位置率先进入塑性失稳阶段，传统等厚度结构的均匀厚度需要依据最大载荷进行设计以确保结构安全性，然而这导致除最大载荷位置的其它区域存在较大负荷裕量，造成材料浪费。新型变厚度结构因其具有厚度变化特点，可随承受载荷分布情况灵活设计调整不同位置厚度等优势而备受许多行业关注。目前出现的新型变厚度结构主要是通过将变厚度板带材进行后续成形得到的，然而由于其本身具有的厚度变化特性使得其在后续成形时的金属流动规律、变形速度及应力应变分布等成形特征相较于传统等厚度板带材复杂的多，控制难度极大。为将变厚度板带材成形为理想变厚度结构件，国内外研究学者做了大量相关工作，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，或采用模拟及优化方法对变厚度板带材的成形工艺流程进行优化等。上述方法虽可以提升变厚度板带材成形性，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板带材，这显然阻碍了变厚度结构的推广应用。此外，由于变厚度板带材薄区位置往往为承载薄弱区域，易产生塑性失稳，会使变厚度板带材在承受整体拉应力时薄区过早进入塑性阶段而降低整体延伸率，这也是变厚度板带材后续成形能力不足的主要原因。因此，本文提出围绕变厚度板带材本征特性，通过重新设计制备变厚度板带材各厚区位置材料的本构关系来推迟薄弱区域的塑性失稳进程，不仅能提高变厚度板带材整体延伸率，还可降低制造工艺难度，有利于提高变厚度板带材的后续成形性能。
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板带材，这显然阻碍了变厚度结构的推广应用；此外，由于变厚度板带材薄区位置往往为承载薄弱区域，易产生塑性失稳，会使变厚度板带材在承受整体拉应力时薄区过早进入塑性阶段而降低整体延伸率，这也是变厚度板带材后续成形能力不足的主要原因的技术问题，而提供一种提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法。本发明主要利用差异化热处理技术及工艺使变厚度金属板带材各厚区位置材料的本构关系满足设计目标，实现各厚区位置材料具有相同的承载载荷-应变关系，从而提高其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：
一种提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法，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板带材所用材料类型、牌号和几何外形尺寸；所述第二模型为变厚度金属板带材的厚度非均匀分布情况；
S2、建立第三模型，所述第三模型为根据第一模型和第二模型得到的变厚度金属板带材的基准延伸率；
S3、建立第四模型和第五模型，所述第四模型和第五模型为根据第二模型和第三模型，并基于制造技术得到的变厚度金属板带材各厚区位置材料的初始本构关系和对应承载载荷-位移关系；所述各厚区位置为在厚度变化区间等分位离散选取的N个厚度位置；
S4、建立第六模型，所述第六模型为根据第三模型、第五模型及各厚区位置材料的延伸率情况获得的变厚度金属板带材延伸率可调控范围；
S4、建立第七模型，所述第七模型为根据第六模型及不同服役目标需求获得的变厚度金属板带材的目标延伸率；
S5、建立第八模型，所述第八模型为根据第四模型和第七模型获得的变厚度金属板带材各厚区位置材料的目标本构关系；
S6、根据第二模型、第四模型和第八模型获得各厚区位置材料的初始本构关系及目标本构关系之间的差异情况，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板带材进行性能调控，通过调整目标延伸率水平控制提升变厚度金属板带材延伸率的程度及在后续成形时整体变形能力的提升幅度；
所述变厚度金属板带材的厚度变化范围为0.5 mm～4.5 mm；
所述本构关系为真实应力-真实应变关系，其中，所述初始本构关系为初始真实应力-真实应变关系，所述目标本构关系为目标真实应力-真实应变关系；
所述延伸率为均匀延伸率。
进一步地，所述变厚度金属板带材的基准延伸率通过如下步骤获得：
步骤一：根据结构几何外形尺寸及厚度非均匀分布情况，设计变厚度单向拉伸标准试样几何尺寸；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；
步骤二：采用电火花线切割技术切取变厚度单向拉伸标准试样，对其进行至少3组单向拉伸力学性能重复测试，将承载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，对各组试样拉伸测试得到的均匀延伸率进行平均处理，获得变厚度金属板带材的基准延伸率；其中，变厚度单向拉伸标准试样的厚度过渡区包含在试样平行段原始标距内；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板带材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，所述变厚度金属板带材各厚区位置材料的初始本构关系和对应承载载荷-位移关系通过如下步骤获得：
步骤1：根据结构厚度非均匀分布情况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，通过制造技术制备出对应N个等厚度金属板带材，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；其中，N个等厚度金属板带材的制造技术与制备变厚度金属板带材的制造技术相同，N个等厚度金属板带材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：依照步骤一设计对应N个厚度的等厚度单向拉伸标准试样，并分别对其进行单向拉伸力学性能测试获得N个厚度的力学性能数据，提取对应N个等厚度单向拉伸标准试样的承载载荷-位移关系及初始真实应力-真实应变关系。
进一步地，所述变厚度金属板带材延伸率可调控范围及目标延伸率通过如下步骤获得：
步骤1.1：根据步骤2得到的N个等厚度单向拉伸标准试样的承载载荷-位移数据，选取承载载荷出现极高位置处的试样伸长率视作对应厚度试样的均匀延伸率，将N个等厚度单向拉伸标准试样均匀延伸率中最大均匀延伸率视作变厚度金属板带材延伸率可调控范围的上限，将N个等厚度单向拉伸标准试样均匀延伸率中最小均匀延伸率视作变厚度金属板带材延伸率可调控范围的下限，以上下限作为变厚度金属板带材延伸率可调控范围；具体还可分为以下三种情况：
① 若变厚度金属板带材基准延伸率低于延伸率可调控范围下限，则最大均匀延伸率和最小均匀延伸率为变厚度金属板带材延伸率可调控范围上下限；
② 若变厚度金属板带材基准延伸率高于延伸率可调控范围下限而低于延伸率可调控范围上限，则最大均匀延伸率和基准延伸率为变厚度金属板带材延伸率可调控范围上下限；
③ 若变厚度金属板带材基准延伸率高于延伸率可调控范围上限，则该变厚度金属板带材延伸率不可通过调控获得提高；
步骤2.1：变厚度金属板带材目标延伸率根据需求在N个等厚度单向拉伸标准试样均匀延伸率结果中选定，具体分为以下几种情况：
① 若变厚度金属板带材性能要求为大幅提高延伸率时，目标延伸率选为延伸率可调控范围的上限或上限附近；
② 若变厚度金属板带材性能要求为小幅提高延伸率时，目标延伸率选为延伸率可调控范围的下限或下限附近；
③ 若变厚度金属板带材性能要求为适当提高延伸率时，目标延伸率选为延伸率可调控范围的中位线或中位线附近。
进一步地，所述变厚度金属板带材各厚区位置材料的目标本构关系通过如下步骤获得：
步骤1.2：基于得到的N个等厚度单向拉伸标准试样的初始真实应力-真实应变关系数据，以目标延伸率对应厚度试样的初始真实应力-真实应变数据为基准，建立该厚度的承载载荷-应变关系，具体公式如下：
式中，t代表目标延伸率对应厚度值且在整个拉伸过程中保持不变；
代表目标延伸率对应厚度试样在拉伸过程中的真实应力；F i 代表目标延伸率对应厚度试样在拉伸过程中的承载载荷；
步骤2.2：以目标延伸率对应厚度试样的承载载荷-应变数据为基准，将余下N-1个等厚度单向拉伸标准试样的承载载荷-应变数据与目标延伸率对应厚度试样的承载载荷-应变数据设计为相同，利用如下公式（2）得到余下N-1个等厚度单向拉伸标准试样的目标真实应力-真实应变关系曲线数据；
式中，N代表选取的不同厚度编号；
代表选取的不同厚度值且在整个拉伸过程中保持不变；/>
代表不同厚度试样在拉伸过程中的真实应力；F i 代表目标延伸率对应厚度试样在拉伸过程中的承载载荷；
步骤3.2：以应力为Y轴、应变为X轴绘制平面直角坐标系，将得到的N个等厚度单向拉伸标准试样的目标真实应力-真实应变关系曲线数据放置于平面直角坐标系中，标记清楚每条曲线所对应的初始厚度值，以此获得变厚度金属板带材各厚区位置材料的目标真实应力-真实应变关系曲线数据。
进一步地，变厚度金属板带材各厚区位置材料的初始本构关系及目标本构关系之间的差异情况通过如下步骤获得：
步骤1.3：依照步骤一和步骤三构建变厚度金属板带材标准拉伸试样有限元模型，并将步骤2.2中的目标本构关系及厚度非均匀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2.3：以真实应力为Y轴、真实应变为X轴绘制平面直角坐标系，将步骤2及步骤3.2中得到的某一厚度试样初始真实应力-真实应变关系曲线数据和对应厚度试样目标真实应力-真实应变关系曲线数据放置于该平面直角坐标系中，对所有应变区域内同一应变位置下的目标真实应力与初始真实应力相减，获得该厚度下初始真实应力-真实应变关系曲线与目标真实应力-真实应变关系曲线之间的差异分布；
步骤3.3：依照步骤2.3的方法对余下N-1个等厚度单向拉伸标准试样进行相同的数据处理，最终得到变厚度金属板带材各厚区位置材料的初始本构关系及目标本构关系之间的差异情况，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分为以下几种情况：
① 产品某一厚度应变位置目标真实应力高于初始真实应力时，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，提高该位置真实应力至目标真实应力；
② 产品某一厚度应变位置目标真实应力低于初始真实应力时，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，降低该位置真实应力至目标真实应力；
③ 产品某一厚度应变位置目标真实应力等于初始真实应力时，该位置不进行热处理工艺制定；
初始应力和目标应力在所选金属材料热处理可调控范围内。
进一步地，所述制造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、3D打印技术或铸造技术等。
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，所述材料类型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。
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金属板带材，提出了提高其均匀延伸率及后续成形能力的性能分布设计方法。该方法主要依据实际需求，设计实现变厚度金属板带材各厚区位置材料在拉伸过程中具有相同的承载载荷-应变关系。通过该方法不仅能显著推迟变厚度金属板带材薄弱区域塑性失稳的产生及演化进程，还能增强各厚区位置材料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金属板带材，不仅其均匀延伸率能够得到显著提升，其后续成形能力也将得到明显改善，为解决变厚度金属板带材成形性能差的现实问题提供了可行的解决方案。
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为本发明提升变厚度金属板带材延伸率的设计及制备流程图。
图2为本发明纵向、横向及三维变厚度金属板带材示意图，其中（a）为纵向变厚度，（b）为横向变厚度，（c）为三维变厚度。
图3为本发明实施例1中变厚度钢板几何形状示意图，其中（a）为俯视图，（b）为正视图。
图4为本发明实施例1中变厚度钢板单向拉伸标准试样几何尺寸示意图。
图5为本发明实施例2中激光拼焊板几何形状示意图，其中（a）为俯视图，（b）为正视图。
图6为本发明实施例2中激光拼焊单向拉伸标准试样几何尺寸示意图。
图7为本发明实施例1中变厚度钢板单向拉伸承载载荷-位移曲线图。
图8为本发明实施例1中变厚度钢板各厚区位置初始本构关系图。
图9为本发明实施例1中变厚度钢板各厚区位置承载载荷-位移关系图。
图10为本发明实施例1中目标延伸率对应2mm厚试样的承载载荷-应变曲线图。
图11为本发明实施例1中变厚度钢板各厚区位置目标本构关系图。
图12为本发明实施例1中目标变厚度单向拉伸试样载荷-位移曲线图。
图13为本发明实施例1中1mm厚试样初始本构关系曲线与目标本构关系曲线间差异分布图。
图14为本发明实施例1中实现各厚区目标本构关系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，（b）为差异化冷却。
图15为本发明实施例2中激光拼焊板单向拉伸承载载荷-位移曲线图。
图16为本发明实施例2中激光拼焊板各厚区位置初始本构关系图。
图17为本发明实施例2中激光拼焊板各厚区位置承载载荷-位移关系图。
图18为本发明实施例2中目标延伸率对应1.5mm厚试样的承载载荷-应变曲线图。
图19为本发明实施例2中激光拼焊板各厚区位置目标本构关系图。
图20为本发明实施例2中目标激光拼焊单向拉伸试样载荷-位移曲线图。
图21为本发明实施例2中2.5mm厚试样初始本构关系与目标本构关系之间的差异分布图。
图22为本发明实施例2中实现各厚区目标本构关系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，（b）为差异化冷却。
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升变厚度金属板带材延伸率的设计方法，属于金属结构性能设计领域。该方法首先明确变厚度金属板带材所用材料类型、牌号、几何外形尺寸及厚度非均匀分布情况，测试得到变厚度金属板带材的基准延伸率，基于制造技术及工艺确定变厚度金属板带材各厚区位置材料的初始本构关系及对应承载载荷-位移关系，根据各厚区位置材料的延伸率情况明确变厚度金属板带材延伸率可调控范围，基于基准延伸率及不同服役目标需求选定变厚度金属板带材的目标均匀延伸率，再根据目标均匀延伸率掌握各厚区位置材料的目标本构关系，最后依据各厚区位置材料的初始本构关系及目标本构关系之间的差异情况使用差异化热处理技术及工艺实现各厚区位置材料的目标本构关系，通过调整目标均匀延伸率水平控制提升变厚度金属板带材延伸率的程度及在后续成形时整体变形能力的提升幅度，从而降低变厚度金属板带材深加工的难度，提高设计人员的可设计范围及设计灵活度，为变厚度金属板带材的推广应用提供助力。
所述的一种提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法，包括如下步骤：
明确变厚度金属板带材所用材料类型、牌号、几何外形尺寸及厚度非均匀分布情况，测试得到变厚度金属板带材的基准延伸率，基于制造技术及工艺确定变厚度金属板带材各厚区位置材料的初始本构关系及对应承载载荷-位移关系，根据各厚区位置材料的延伸率情况明确变厚度金属板带材延伸率可调控范围，基于基准延伸率及不同服役目标需求选定变厚度金属板带材的目标延伸率，再根据目标延伸率掌握变厚度金属板带材各厚区位置材料的目标本构关系，最后依据各厚区位置材料的初始本构关系及目标本构关系之间的差异情况使用差异化热处理技术及工艺实现各厚区位置材料的目标本构关系，通过调整目标延伸率水平控制提升变厚度金属板带材延伸率的程度及在后续成形时整体变形能力的提升幅度，整体设计流程图如图1所示。
所述变厚度金属板带材的厚度变化范围为0.5 mm～4.5 mm。
所述本构关系为真实应力-真实应变关系；
所述延伸率为均匀延伸率；
所述各厚区位置为在厚度变化区间等分位离散选取的N个厚度位置。
作为优选的实施方式，所述材料类型包括碳钢、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的常规金属材质。
作为优选的实施方式，所述厚度非均匀分布情况可以分为以下几种情况：
① 厚度变化方向可以是纵向或横向，也可以纵向横向同时变化，如图2所示；
② 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 包含至少0个厚度过渡区或0个等厚度区，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 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，所述制造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、3D打印技术、铸造技术等。
作为优选的实施方式，所述变厚度金属板带材的基准延伸率通过如下步骤获得：
步骤一：根据结构几何外形尺寸及厚度非均匀分布情况，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；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，厚度过渡区应包含在试样平行段原始标距内；
步骤二：采用电火花线切割技术切取变厚度单向拉伸标准试样，对其进行至少3组单向拉伸力学性能重复测试，将承载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，对各组试样拉伸测试得到的均匀延伸率进行平均处理，获得变厚度金属板带材的基准延伸率；
步骤三：利用有限元仿真软件构建变厚度金属板带材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，所述变厚度金属板带材各厚区位置材料的初始本构关系及对应承载载荷-位移关系通过如下步骤获得：
步骤1：根据结构厚度非均匀分布情况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，通过制造技术及工艺制备出对应N个等厚度金属板带材，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板带材制造技术及工艺相同；
所述N个等厚度金属板带材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：依照步骤一设计对应N个厚度的等厚度单向拉伸标准试样，并分别对其进行单向拉伸力学性能测试获得N个等厚度单向拉伸标准试样的力学性能数据，提取对应N个等厚度单向拉伸标准试样的承载载荷-位移关系及初始真实应力-真实应变关系。
作为优选的实施方式，所述变厚度金属板带材延伸率可调控范围及目标延伸率通过如下步骤获得：
步骤1.1：根据步骤2得到的N个等厚度单向拉伸标准试样的承载载荷-位移数据，选取承载载荷出现极高位置处的试样伸长率视作对应厚度试样的均匀延伸率，将N个等厚度单向拉伸标准试样均匀延伸率中最大均匀延伸率视作变厚度金属板带材延伸率可调控范围的上限，将N个等厚度单向拉伸标准试样均匀延伸率中最小均匀延伸率视作变厚度金属板带材延伸率可调控范围的下限，以上下限作为变厚度金属板带材延伸率可调控范围。具体还可分为以下三种情况：
① 若变厚度金属板带材基准延伸率低于延伸率可调控范围下限，则最大均匀延伸率和最小均匀延伸率为变厚度金属板带材延伸率可调控范围上下限；
② 若变厚度金属板带材基准延伸率高于延伸率可调控范围下限而低于延伸率可调控范围上限，则最大均匀延伸率和基准延伸率为变厚度金属板带材延伸率可调控范围上下限；
③ 若变厚度金属板带材基准延伸率高于延伸率可调控范围上限，则该变厚度金属板带材延伸率不可通过本发明调控获得提高。
步骤2.1：变厚度金属板带材目标延伸率根据需求在N个等厚度单向拉伸标准试样均匀延伸率结果中选定，具体分为以下几种情况：
① 若变厚度金属板带材性能要求为大幅提高延伸率时，目标延伸率选为延伸率可调控范围的上限或上限附近；
② 若变厚度金属板带材性能要求为小幅提高延伸率时，目标延伸率选为延伸率可调控范围的下限或下限附近；
③ 若变厚度金属板带材性能要求为适当提高延伸率时，目标延伸率选为延伸率可调控范围的中位线或中位线附近。
作为优选的实施方式，所述变厚度金属板带材各厚区位置材料的目标本构关系通过如下步骤获得：
步骤1.2：基于得到的N个等厚度单向拉伸标准试样的初始真实应力-真实应变关系曲线数据，以目标延伸率对应厚度试样的初始真实应力-真实应变数据为基准，建立该厚度的承载载荷-应变关系，具体公式如下：
式中，t代表目标延伸率对应厚度值且在整个拉伸过程中保持不变；
代表目标延伸率对应厚度试样在拉伸过程中的真实应力；F i 代表目标延伸率对应厚度试样在拉伸过程中的承载载荷。
步骤2.2：以目标延伸率对应厚度试样的承载载荷-应变数据为基准，将余下N-1个等厚度单向拉伸标准试样的承载载荷-应变数据与目标延伸率对应厚度试样的承载载荷-应变数据设计为相同，利用如下公式得到余下N-1个等厚度单向拉伸标准试样的目标真实应力-真实应变关系曲线数据。
式中，N代表选取的不同厚度编号；
代表选取的不同厚度值且在整个拉伸过程中保持不变；/>
代表不同厚度试样在拉伸过程中的真实应力；F i 代表目标延伸率对应厚度试样在拉伸过程中的承载载荷。
步骤3.2：以真实应力为Y轴、真实应变为X轴绘制平面直角坐标系，将得到的N个等厚度单向拉伸标准试样的目标真实应力-真实应变关系曲线数据放置于平面直角坐标系中，标记清楚每条曲线所对应的初始厚度值，以此获得变厚度金属板带材各厚区位置材料的目标真实应力-真实应变关系曲线数据。
所述目标本构关系为目标应力-应变关系。
作为优选的实施方式，变厚度金属板带材各厚区位置材料的初始本构关系及目标本构关系之间的差异情况通过如下步骤获得：
步骤1.3：依照步骤一和步骤三构建变厚度金属板带材标准拉伸试样有限元模型，并将步骤2.2中的目标本构关系及厚度非均匀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2.3：以真实应力为Y轴、真实应变为X轴绘制平面直角坐标系，将步骤2及步骤3.2中得到的某一厚度试样初始真实应力-真实应变关系曲线数据和对应厚度试样目标真实应力-真实应变关系曲线数据放置于该平面直角坐标系中，对所有应变区域内同一应变位置下的目标真实应力与初始真实应力相减，获得该厚度下初始真实应力-真实应变关系曲线与目标真实应力-真实应变关系曲线之间的差异分布。
步骤3.3：依照步骤2.3的方法对余下N-1个等厚度单向拉伸标准试样进行相同的数据处理，最终得到变厚度金属板带材各厚区位置材料的初始本构关系及目标本构关系之间的差异情况，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 产品某一厚度应变位置目标真实应力高于初始真实应力时，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，提高该位置应力至目标真实应力；
② 产品某一厚度应变位置目标真实应力低于初始真实应力时，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，降低该位置真实应力至目标真实应力；
③ 产品某一厚度应变位置目标真实应力等于初始真实应力时，该位置不进行热处理工艺制定。
所述初始真实应力和目标真实应力在所选金属材料热处理可调控范围内。
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。
实施例1
本实施例针对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各厚区位置材料的本构关系及承载载荷-应变关系以提升变厚度钢板延伸率。变厚度钢板材质为HC340LA，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1个厚度过渡区及2个等厚度区，其中厚度过渡区在中间位置，两侧为等厚度区。其参数为：薄区厚度（D1）为1mm、薄区纵向长度（L3）为120mm，厚区厚度（D2）为2mm、厚区纵向长度（L1）为450mm，厚度过渡区纵向长度（L2）为100mm，板材宽度（W）为310mm，如图3所示。
提高其延伸率的设计方法如下：
步骤1、根据变厚度钢板几何外形尺寸及厚度非均匀分布情况，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，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44.5 mm，厚度过渡区纵向长度设计为100 mm，薄区及厚区在厚度过渡区两侧；拉伸试样具体尺寸设计为：试样总长度为189 mm、原始标距为80 mm、平行段长度（L4）为100 mm、平行段原始宽度（W1）为12.5 mm、夹持端宽度（W2）为25 mm、夹持端长度（L5）30mm、过渡圆弧半径R为20 mm，如图4所示。
步骤2、经过位置选取后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，将承载载荷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变厚度板基准延伸率为4.50%，如图7所示。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3、根据结构厚度非均匀分布情况选取最大厚度和最小厚度，最大厚度为2mm、最小厚度为1mm，以其为上下限等分位数离散选取11个厚度，既选取厚度依次为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4、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个等厚度单向拉伸试样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11个等厚度单向拉伸试样的力学性能数据，提取对应11个等厚度单向拉伸试样的初始真实应力-真实应变关系曲线数据(如图8所示)和承载载荷-位移关系曲线数据(如图9所示)。
步骤5、根据得到的11个等厚度单向拉伸试样的承载载荷-位移数据，选取承载载荷出现极高位置处的试样伸长率视作对应厚度试样的均匀延伸率，将11个等厚度单向拉伸试样中厚度为2mm试样获得的最大均匀延伸率20.24%视作变厚度金属板带材延伸率可调控范围的上限，将11个等厚度单向拉伸试样中厚度为1mm试样获得的最小均匀延伸率12.50%视作变厚度金属板带材延伸率可调控范围的下限，以上下限作为变厚度金属板带材延伸率可调控范围，延伸率上下限均高于4.50%的基准延伸率。由于对该变厚度钢板性能要求为大幅提高延伸率，因此将目标延伸率选为延伸率可调控范围上限，即厚度为2mm时获得的最大均匀延伸率20.24%。
步骤6、基于得到的11个等厚度单向拉伸试样的初始真实应力-真实应变关系曲线数据，以目标延伸率20.24%对应2mm厚度试样的初始真实应力-真实应变数据为基准，建立该厚度的承载载荷-应变关系，具体公式如下：
式中，t代表目标延伸率对应厚度值且在整个拉伸过程中保持不变；
代表目标延伸率对应厚度试样在拉伸过程中的真实应力；F i 代表目标延伸率对应厚度试样在拉伸过程中的承载载荷。
步骤7、如图10所示，以目标延伸率对应2mm等厚度单向拉伸标准试样的承载载荷-应变关系数据为基准，将余下10个等厚度单向拉伸标准试样（1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm）的承载载荷-应变数据与目标延伸率对应2mm等厚度单向拉伸标准试样的承载载荷-应变数据设计为相同，利用如下公式得到余下10个等厚度单向拉伸试样试样的目标真实应力-真实应变关系曲线数据。
式中，N代表选取的不同厚度编号；
代表选取的不同厚度值且在整个拉伸过程中保持不变；/>
代表不同厚度试样在拉伸过程中的真实应力；F i 代表目标延伸率对应厚度试样在拉伸过程中的承载载荷。
步骤8、以真实应力为Y轴、真实应变为X轴绘制平面直角坐标系，将得到的11个等厚度单向拉伸试样的目标真实应力-真实应变关系曲线数据放置于平面直角坐标系中，标记清楚每条曲线所对应的初始厚度值，以此获得变厚度金属板带材各厚区位置的目标真实应力-真实应变关系曲线数据，如图11所示。分别将步骤7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，其试样几何尺寸与实际单向拉伸试样相同，如图12结果显示赋予目标真实应力-真实应变关系后的变厚度钢板单向拉伸均匀延伸率为20.59%，与基准延伸率相比提高了358%，并与20.24%目标延伸率偏差仅1.73%。
步骤9、以真实应力为Y轴、真实应变为X轴绘制平面直角坐标系，将步骤4中得到的11个等厚度单向拉伸试样初始真实应力-真实应变关系曲线数据分别和对应11个等厚度单向拉伸试样目标真实应力-真实应变关系曲线数据放置于该平面直角坐标系中，对所有应变区域内同一真实应变位置下的目标真实应力与初始真实应力相减，获得该厚度下初始真实应力-真实应变关系曲线与目标真实应力-真实应变关系曲线之间的差异分布，如图13所示。
步骤10、以该差异分布为依据制定差异化热处理工艺。产品某一厚度应变位置目标真实应力高于初始真实应力时，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，提高该位置应力数值至目标真实应力；产品某一厚度位置目标真实应力低于初始真实应力时，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，降低该位置真实应力数值至目标真实应力；产品某一厚度位置目标真实应力等于初始真实应力时，该位置不进行热处理工艺制定。所述初始真实应力和目标真实应力在所选金属材料热处理可调控范围内。
步骤11、如图14所示，选择梯度感应加热线圈技术实现轧制变厚度钢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钢板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钢板各厚区位置目标本构关系，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各厚区位置材料的本构关系及承载载荷-应变关系以提升变厚度钢板延伸率。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。其参数为：薄区1.5mm厚（D4）、材质为DP780、薄区纵向长度（L7）370mm，厚区2.5mm厚（D3）、材质为DP590、厚区纵向长度（L6）540mm，板材宽度（W3）为220mm，如图5所示。
提高其延伸率的设计方法如下：
步骤1、根据变厚度钢板几何外形尺寸及厚度非均匀分布情况，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，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55mm，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6所示。
步骤2、经过位置选取后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，将承载载荷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变厚度板基准延伸率为8.17%，如图15所示。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3%以内，因此该仿真模型准确。
步骤3、根据结构厚度非均匀分布情况选取最大厚度和最小厚度，最大厚度为2.5mm、最小厚度为1.5mm，以其为上下限等分位数离散选取2个厚度，既选取厚度依次为1.5mm、2.5mm，并通过轧制技术制备出2个等厚度钢板，其2个厚度数值与等分位数离散选取的2个厚度一一对应。
步骤4、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2个等厚度单向拉伸试样的力学性能数据，提取对应2个等厚度单向拉伸试样的初始真实应力-真实应变关系曲线数据(如图16所示)和承载载荷-位移关系曲线数据(如图17所示)。
步骤5、根据得到的2个等厚度单向拉伸试样的承载载荷-应变数据，选取承载载荷出现极高位置处的应变视作对应厚度试样的均匀延伸率，将2个等厚度单向拉伸试样中厚度为2.5mm材质为DP590时获得的最大均匀延伸率15%视作变厚度金属板带材延伸率可调控范围的上限，将2个等厚度单向拉伸试样中厚度为1.5mm材质为DP780时获得的最小均匀延伸率13.33%视作变厚度金属板带材延伸率可调控范围的下限，以上下限作为变厚度金属板带材延伸率可调控范围，延伸率上下限均高于8.17%的基准延伸率。由于对该变厚度钢板性能要求为小幅提高延伸率，因此将目标延伸率选为延伸率可调控范围下限，即厚度为1.5mm时获得的最大均匀延伸率13.33%。
步骤6、基于得到的2个等厚度单向拉伸试样的初始真实应力-真实应变关系曲线数据，以目标延伸率13.33%对应1.5mm厚度材质为DP780等厚度单向拉伸标准试样的初始真实应力-真实应变数据为基准，建立该厚度的承载载荷-应变关系，具体公式如下：
式中，t代表目标延伸率对应厚度值且在整个拉伸过程中保持不变；
代表目标延伸率对应厚度试样在拉伸过程中的真实应力；F i 代表目标延伸率对应厚度试样在拉伸过程中的承载载荷。
步骤7、如图18所示以目标延伸率对应1.5mm厚度材质为DP780等厚度单向拉伸标准试样的承载载荷-应变数据为基准，将余下1个等厚度单向拉伸标准试样（2.5mm）的承载载荷-应变数据与目标延伸率对应1.5mm等厚度单向拉伸标准试样的承载载荷-应变数据设计为相同，利用如下公式得到余下1个等厚度单向拉伸试样的目标工程应力-工程应变关系曲线数据。
式中，N代表选取的不同厚度编号；
代表选取的不同厚度值且在整个拉伸过程中保持不变；/>
代表不同厚度试样在拉伸过程中的真实应力；F i 代表目标延伸率对应厚度试样在拉伸过程中的承载载荷。
步骤8、以真实应力为Y轴、真实应变为X轴绘制平面直角坐标系，将得到的2个等厚度单向拉伸试样的目标真实应力-真实应变关系曲线数据放置于平面直角坐标系中，标记清楚每条曲线所对应的初始厚度值，以此获得变厚度金属板带材各厚区位置的目标真实应力-真实应变关系曲线数据，如图19所示。分别将步骤7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，其试样几何尺寸与实际单向拉伸试样相同，如图20所示结果显示赋予目标真实应力-真实应变关系后的变厚度钢板单向拉伸均匀延伸率为13.33%，与基准延伸率相比提高了63.16%，并与13.33%目标延伸率无偏差。
步骤9、以真实应力为Y轴、真实应变为X轴绘制平面直角坐标系，将步骤4中得到的2个等厚度单向拉伸试样初始真实应力-真实应变关系曲线数据分别和对应2个等厚度单向拉伸试样目标真实应力-真实应变关系曲线数据放置于该平面直角坐标系中，对所有应变区域内同一应变位置下的目标真实应力与初始真实应力相减，获得该厚度下初始真实应力-真实应变关系曲线与目标真实应力-真实应变关系曲线之间的差异分布，如图21所示。
步骤10、以该差异分布为依据制定差异化热处理工艺。产品某一厚度位置目标真实应力高于初始真实应力时，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，提高该位置真实应力数值至目标真实应力；产品某一厚度位置目标真实应力低于初始真实应力时，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，降低该位置真实应力数值至目标真实应力；产品某一厚度位置目标真实应力等于初始真实应力时，该位置不进行热处理工艺制定。所述初始真实应力和目标真实应力在所选金属材料热处理可调控范围内。
步骤11、如图22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各厚区位置目标本构关系，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)
1.一种提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法，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板带材所用材料类型、牌号和几何外形尺寸；所述第二模型为变厚度金属板带材的厚度非均匀分布情况；
S2、建立第三模型，所述第三模型为根据第一模型和第二模型得到的变厚度金属板带材的基准延伸率；
S3、建立第四模型和第五模型，所述第四模型和第五模型为根据第二模型和第三模型，并基于制造技术得到的变厚度金属板带材各厚区位置材料的初始本构关系和对应承载载荷-位移关系；所述各厚区位置为在厚度变化区间等分位离散选取的N个厚度位置；
S4、建立第六模型，所述第六模型为根据第三模型、第五模型及各厚区位置材料的延伸率情况获得的变厚度金属板带材延伸率可调控范围；
S4、建立第七模型，所述第七模型为根据第六模型及不同服役目标需求获得的变厚度金属板带材的目标延伸率；
S5、建立第八模型，所述第八模型为根据第四模型和第七模型获得的变厚度金属板带材各厚区位置材料的目标本构关系；
S6、根据第二模型、第四模型和第八模型获得各厚区位置材料的初始本构关系及目标本构关系之间的差异情况，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板带材进行性能调控，通过调整目标延伸率水平控制提升变厚度金属板带材延伸率的程度及在后续成形时整体变形能力的提升幅度；
所述变厚度金属板带材的厚度变化范围为0.5 mm～4.5 mm；
所述本构关系为真实应力-真实应变关系，其中，所述初始本构关系为初始真实应力-真实应变关系，所述目标本构关系为目标真实应力-真实应变关系；
所述延伸率为均匀延伸率。
2.根据权利要求1所述的提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法，其特征在于，所述变厚度金属板带材的基准延伸率通过如下步骤获得：
步骤一：根据结构几何外形尺寸及厚度非均匀分布情况，设计变厚度单向拉伸标准试样几何尺寸；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；
步骤二：采用电火花线切割技术切取变厚度单向拉伸标准试样，对其进行至少3组单向拉伸力学性能重复测试，将承载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，对各组试样拉伸测试得到的均匀延伸率进行平均处理，获得变厚度金属板带材的基准延伸率；其中，变厚度单向拉伸标准试样的厚度过渡区包含在试样平行段原始标距内；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板带材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。
3.根据权利要求2所述的提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法，其特征在于，所述变厚度金属板带材各厚区位置材料的初始本构关系和对应承载载荷-位移关系通过如下步骤获得：
步骤1：根据结构厚度非均匀分布情况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，通过制造技术制备出对应N个等厚度金属板带材，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；其中，N个等厚度金属板带材的制造技术与制备变厚度金属板带材的制造技术相同，N个等厚度金属板带材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：依照步骤一设计对应N个厚度的等厚度单向拉伸标准试样，并分别对其进行单向拉伸力学性能测试获得N个厚度的力学性能数据，提取对应N个等厚度单向拉伸标准试样的承载载荷-位移关系及初始真实应力-真实应变关系。
4.根据权利要求3所述的提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法，其特征在于，所述变厚度金属板带材延伸率可调控范围及目标延伸率通过如下步骤获得：
步骤1.1：根据步骤2得到的N个等厚度单向拉伸标准试样的承载载荷-位移数据，选取承载载荷出现极高位置处的试样伸长率视作对应厚度试样的均匀延伸率，将N个等厚度单向拉伸标准试样均匀延伸率中最大均匀延伸率视作变厚度金属板带材延伸率可调控范围的上限，将N个等厚度单向拉伸标准试样均匀延伸率中最小均匀延伸率视作变厚度金属板带材延伸率可调控范围的下限，以上下限作为变厚度金属板带材延伸率可调控范围；具体还可分为以下三种情况：
① 若变厚度金属板带材基准延伸率低于延伸率可调控范围下限，则最大均匀延伸率和最小均匀延伸率为变厚度金属板带材延伸率可调控范围上下限；
② 若变厚度金属板带材基准延伸率高于延伸率可调控范围下限而低于延伸率可调控范围上限，则最大均匀延伸率和基准延伸率为变厚度金属板带材延伸率可调控范围上下限；
③ 若变厚度金属板带材基准延伸率高于延伸率可调控范围上限，则该变厚度金属板带材延伸率不可通过调控获得提高；
步骤2.1：变厚度金属板带材目标延伸率根据需求在N个等厚度单向拉伸标准试样均匀延伸率结果中选定，具体分为以下几种情况：
① 若变厚度金属板带材性能要求为大幅提高延伸率时，目标延伸率选为延伸率可调控范围的上限或上限附近；
② 若变厚度金属板带材性能要求为小幅提高延伸率时，目标延伸率选为延伸率可调控范围的下限或下限附近；
③ 若变厚度金属板带材性能要求为适当提高延伸率时，目标延伸率选为延伸率可调控范围的中位线或中位线附近。
5.根据权利要求4所述的提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法，其特征在于，所述变厚度金属板带材各厚区位置材料的目标本构关系通过如下步骤获得：
步骤1.2：基于得到的N个等厚度单向拉伸标准试样的初始真实应力-真实应变关系数据，以目标延伸率对应厚度试样的初始真实应力-真实应变数据为基准，建立该厚度的承载载荷-应变关系，具体公式如下：
式中，t代表目标延伸率对应厚度值且在整个拉伸过程中保持不变；
代表目标延伸率对应厚度试样在拉伸过程中的真实应力；F i 代表目标延伸率对应厚度试样在拉伸过程中的承载载荷；
步骤2.2：以目标延伸率对应厚度试样的承载载荷-应变数据为基准，将余下N-1个等厚度单向拉伸标准试样的承载载荷-应变数据与目标延伸率对应厚度试样的承载载荷-应变数据设计为相同，利用如下公式（2）得到余下N-1个等厚度单向拉伸标准试样的目标真实应力-真实应变关系曲线数据；
式中，N代表选取的不同厚度编号；
代表选取的不同厚度值且在整个拉伸过程中保持不变；/>
代表不同厚度试样在拉伸过程中的真实应力；F i 代表目标延伸率对应厚度试样在拉伸过程中的承载载荷；
步骤3.2：以应力为Y轴、应变为X轴绘制平面直角坐标系，将得到的N个等厚度单向拉伸标准试样的目标真实应力-真实应变关系曲线数据放置于平面直角坐标系中，标记清楚每条曲线所对应的初始厚度值，以此获得变厚度金属板带材各厚区位置材料的目标真实应力-真实应变关系曲线数据。
6.根据权利要求5所述的提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法，其特征在于，变厚度金属板带材各厚区位置材料的初始本构关系及目标本构关系之间的差异情况通过如下步骤获得：
步骤1.3：依照步骤一和步骤三构建变厚度金属板带材标准拉伸试样有限元模型，并将步骤2.2中的目标本构关系及厚度非均匀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2.3：以真实应力为Y轴、真实应变为X轴绘制平面直角坐标系，将步骤2及步骤3.2中得到的某一厚度试样初始真实应力-真实应变关系曲线数据和对应厚度试样目标真实应力-真实应变关系曲线数据放置于该平面直角坐标系中，对所有应变区域内同一应变位置下的目标真实应力与初始真实应力相减，获得该厚度下初始真实应力-真实应变关系曲线与目标真实应力-真实应变关系曲线之间的差异分布；
步骤3.3：依照步骤2.3的方法对余下N-1个等厚度单向拉伸标准试样进行相同的数据处理，最终得到变厚度金属板带材各厚区位置材料的初始本构关系及目标本构关系之间的差异情况，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分为以下几种情况：
① 产品某一厚度应变位置目标真实应力高于初始真实应力时，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，提高该位置真实应力至目标真实应力；
② 产品某一厚度应变位置目标真实应力低于初始真实应力时，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，降低该位置真实应力至目标真实应力；
③ 产品某一厚度应变位置目标真实应力等于初始真实应力时，该位置不进行热处理工艺制定；
初始应力和目标应力在所选金属材料热处理可调控范围内。
7.根据权利要求1-6任意一项权利要求所述的提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法，其特征在于，所述厚度非均匀分布情况分为以下几种情况：
① 厚度变化方向为纵向或横向，或为纵向横向同时变化；
② 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 包含至少0个厚度过渡区或0个等厚度区，其中，包含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 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。
8.根据权利要求1或3所述的提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法，其特征在于，所述制造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、3D打印技术或铸造技术。
9.根据权利要求1或6或所述的提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法，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。
10.根据权利要求1所述的提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法，其特征在于，所述材料类型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。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310465968.0A CN116230143B (zh) | 2023-04-27 | 2023-04-27 | 一种提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法 |
| JP2023192043A JP7468952B1 (ja) | 2023-04-27 | 2023-11-10 | 差厚金属帯材の延伸率を向上させる設計方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310465968.0A CN116230143B (zh) | 2023-04-27 | 2023-04-27 | 一种提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116230143A CN116230143A (zh) | 2023-06-06 |
| CN116230143B true CN116230143B (zh) | 2023-07-11 |
Family
ID=86580792
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310465968.0A Active CN116230143B (zh) | 2023-04-27 | 2023-04-27 | 一种提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7468952B1 (zh) |
| CN (1) | CN116230143B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20090052957A (ko) * | 2007-11-22 | 2009-05-27 | 주식회사 포스코 | 고크롬 페라이트계 스테인리스강의 연신율 제어방법 |
| CN105784481A (zh) * | 2016-03-23 | 2016-07-20 | 西南交通大学 | 圆盘试样压缩获取材料单轴应力-应变关系的方法 |
| DE102017001007A1 (de) * | 2017-02-03 | 2018-08-09 | INPRO Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH | Verfahren zur örtlichen Auswertung nichtlinearer Dehnpfade und ihrer zugehörigen Grenzdehnung mindestens eines durch einen Umformprozess umgeformten metallischen Blechwerkstoffes mittels einer Grenzformkurve |
| WO2021037036A1 (zh) * | 2019-08-28 | 2021-03-04 | 肖锋 | 一种测定材料真实应力应变曲线的试验与计算方法 |
| WO2022206915A1 (zh) * | 2021-04-02 | 2022-10-06 | 宝山钢铁股份有限公司 | 抗拉强度≥590MPa的低碳低合金高成形性双相钢及热镀锌双相钢及其制造方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4523184B2 (ja) | 2001-02-21 | 2010-08-11 | 本田技研工業株式会社 | 板材の製造方法 |
| CN104550252B (zh) | 2013-10-18 | 2016-08-17 | 沈阳东宝海星金属材料科技有限公司 | 轧制差厚板力学性能差异化控制方法 |
| US10329637B2 (en) | 2014-04-23 | 2019-06-25 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Heat-rolled steel plate for tailored rolled blank, tailored rolled blank, and methods for producing these |
| WO2016042948A1 (ja) * | 2014-09-16 | 2016-03-24 | 新日鐵住金株式会社 | 金属板の圧延制御方法、圧延制御装置及び圧延金属板の製造方法 |
| MX2019011711A (es) * | 2017-03-31 | 2019-11-21 | Nippon Steel Corp | Lamina de acero laminada en caliente, pieza forjada de acero y metodo de produccion. |
-
2023
- 2023-04-27 CN CN202310465968.0A patent/CN116230143B/zh active Active
- 2023-11-10 JP JP2023192043A patent/JP7468952B1/ja active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20090052957A (ko) * | 2007-11-22 | 2009-05-27 | 주식회사 포스코 | 고크롬 페라이트계 스테인리스강의 연신율 제어방법 |
| CN105784481A (zh) * | 2016-03-23 | 2016-07-20 | 西南交通大学 | 圆盘试样压缩获取材料单轴应力-应变关系的方法 |
| DE102017001007A1 (de) * | 2017-02-03 | 2018-08-09 | INPRO Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH | Verfahren zur örtlichen Auswertung nichtlinearer Dehnpfade und ihrer zugehörigen Grenzdehnung mindestens eines durch einen Umformprozess umgeformten metallischen Blechwerkstoffes mittels einer Grenzformkurve |
| WO2021037036A1 (zh) * | 2019-08-28 | 2021-03-04 | 肖锋 | 一种测定材料真实应力应变曲线的试验与计算方法 |
| WO2022206915A1 (zh) * | 2021-04-02 | 2022-10-06 | 宝山钢铁股份有限公司 | 抗拉强度≥590MPa的低碳低合金高成形性双相钢及热镀锌双相钢及其制造方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Springback behavior of tailor rolled blank in U-shape forming;Ri-huan Lu;《Journal of Iron and Steel Research(International)》;第787-794页 * |
| 含疏松缺陷的ZL205A合金力学性能研究;赵朋飞;王育红;张新运;李宏民;;装备环境工程(08);第94-100页 * |
| 基于单轴拉伸试验、模拟及优化方法的材料本构识别;黄文 等;《塑性工程学报》;第251-255页 * |
| 金属材料准静态拉伸试验中短哑铃片试样的标距修正;刘赛;肖凯;苏玲;王月;吕振华;;实验力学(05);第155-161页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP7468952B1 (ja) | 2024-04-16 |
| CN116230143A (zh) | 2023-06-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN116206712B (zh) | 一种提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法 | |
| Chen et al. | Hot deformation behavior and constitutive modeling of homogenized 6026 aluminum alloy | |
| Semiatin et al. | Equal channel angular extrusion of difficult-to-work alloys | |
| CN103465027B (zh) | 一种gh4169合金细晶盘坯制造方法 | |
| CN111069499B (zh) | 一种tc18钛合金大型捆绑支座锻件锻造工艺方法 | |
| CN105057364B (zh) | 一种镁合金板材轧制边裂预判及控制方法 | |
| CN105200359A (zh) | 降低喷射成形7000系铝合金产品应力的热处理方法 | |
| CN102851627A (zh) | 一种新型钛合金分区β热处理工艺 | |
| CN109468538A (zh) | 一种高性能压铸模具钢diemax及其制备方法 | |
| CN109402514A (zh) | 一种专用热冲压模具钢hs7及其制备方法 | |
| CN109468561A (zh) | 一种gh3625合金带材的制备方法 | |
| CN110125317A (zh) | 一种高强度不锈钢热轧环件成型方法 | |
| CN116230143B (zh) | 一种提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法 | |
| Bai et al. | Application of a continuum damage mechanics (CDM)-based model for predicting formability of warm formed aluminium alloy | |
| CN105002337A (zh) | H13模具钢热处理方法以及通过其获得的h13模具钢 | |
| CN108284299A (zh) | 一种铝合金复杂构件电弧增材与热挤压复合制造方法 | |
| CN113695398A (zh) | 一种不锈钢轧制差厚板相关产品的制造方法 | |
| CN106269965B (zh) | 一种钼铜合金丝材的制备方法 | |
| CN101812624B (zh) | 核反应堆控制棒驱动机构控制杆1Cr13厚壁管材的制备 | |
| CN104174683B (zh) | 一种镍基高温合金热挤压制管感应加热温度控制方法 | |
| CN101829702B (zh) | 一种1Cr13厚壁管材管坯的制备方法 | |
| CN101525715B (zh) | 耐腐蚀高强度合金、其冶炼方法及该合金的制品和制品的加工方法 | |
| CN109468537A (zh) | 一种新型高级热冲压模具钢hs8及其制备方法 | |
| Quan et al. | Influence of electric upsetting process variables on temperature field evolution by multi-field coupling finite element analysis | |
| KR102389359B1 (ko) | 핫 스탬핑 부품, 및 이의 제조 방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |