7075-T6鋁合金溫成形損傷演化實驗與仿真

盈 亮，劉文權(quán)，王丹彤，胡 平，王 琪

?

7075-T6鋁合金溫成形損傷演化實驗與仿真

盈 亮1，劉文權(quán)2，王丹彤1，胡 平1，王 琪3

(1. 大連理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，大連 116024；2. 大連理工大學(xué) 工程力學(xué)系，大連 116024；3. 吉林大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130022)

基于GTN損傷模型，采用實驗與有限元仿真相結(jié)合的方式對高強度7075-T6鋁合金在溫成形HFQ工藝過程中的損傷演化進(jìn)行研究。通過掃描電鏡觀測得鋁合金板材在變形中的損傷演化符合孔洞長大、形核、聚合和最終斷裂的規(guī)律；采用中心復(fù)合試驗設(shè)計法構(gòu)造拉伸曲線關(guān)鍵變量關(guān)于GTN損傷參數(shù)的響應(yīng)曲面模型，進(jìn)而結(jié)合遺傳算法確定鋁合金板材的損傷參數(shù)；通過有限元軟件ABAQUS仿真預(yù)測不同溫度下鋁合金方盒拉深過程中的損傷分布情況。結(jié)果表明：提高成形溫度可使得鋁合金板材的成形性得到有效改善，實驗觀測的板材開裂行為和開裂位置與損傷預(yù)測結(jié)果相一致，證明了GTN損傷模型在鋁合金溫沖壓成形性仿真分析中的適用性。

7075-T6鋁合金；溫成形；GTN損傷模型；損傷識別；數(shù)值模擬

近年來，汽車輕量化的應(yīng)用趨勢使得鋁合金沖壓結(jié)構(gòu)件在汽車車身中的應(yīng)用與日俱增[1]。7075鋁合金由于其質(zhì)量輕、比強度高、無磁性、耐腐性好等特點被大量應(yīng)用在航空航天及汽車等領(lǐng)域[2]。然而高強度7075-T6鋁合金在常溫下成形性較差，難以使用冷沖壓工藝成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的車身結(jié)構(gòu)件[3]。針對上述問題，結(jié)合近年來業(yè)界興起的一種新型鋁合金板材溫?zé)岢尚喂に?，即固溶處?熱成形?淬火一體化HFQ工藝[4]，可先將7075-T6鋁合金板料加熱至其固溶處理溫度區(qū)間，保溫一段時間使其充分固溶，隨后在冷模具中進(jìn)行沖壓成形并完成快速冷卻淬火，使得7075-T6鋁合金可在較高溫度和應(yīng)變率下獲得成形性能優(yōu)良的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。

7075-T6鋁合金板材的成形性能受溫度影響非常明顯，其成形過程中損傷開裂行為是不可回避的問題，對這一問題進(jìn)行合理的仿真預(yù)測是指導(dǎo)工藝優(yōu)化的重要手段。而運用傳統(tǒng)的彈塑性理論并不能準(zhǔn)確描述這一過程。許多學(xué)者嘗試采用損傷力學(xué)的方法來分析金屬板材成形過程的失效行為。LIN等[5]基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)方法分析了AA5754鋁合金溫成形過程的損傷行為，提出了一種新的平面應(yīng)力彈塑性損傷本構(gòu)模型用于不同形狀的鋁合金溫沖壓成形極限預(yù)測；莊蔚敏等[6]基于試驗并結(jié)合單軸連續(xù)介質(zhì)損傷本構(gòu)方程預(yù)測了7075-T6鋁合金板材在不同溫度和應(yīng)變率下的成形極限曲線；萇群峰等[7]針對AZ31鎂合金板材溫?zé)岢尚芜^程中的損傷破裂問題，建立考慮溫度效應(yīng)的板材溫?zé)岢尚雾g性破壞準(zhǔn)則；馬聞宇等[8]對AA6082鋁合金在不同溫度、應(yīng)變率下的熱變形行為進(jìn)行了實驗研究，并建立了AA6082鋁合金熱變形統(tǒng)一粘塑性損傷本構(gòu)模型。上述研究工作均基于連續(xù)介質(zhì)損傷方法且很少涉及金屬板材在成形過程中的損傷分布預(yù)測。另一方面，細(xì)觀損傷力學(xué)在金屬板材成形性分析中得到了廣泛的應(yīng)用[9?10]，而細(xì)觀損傷參數(shù)的準(zhǔn)確確定是合理描述材料損傷行為的關(guān)鍵[11]。王瑞澤等[12]采用有限元仿真與拉伸實驗相結(jié)合的方式確定AZ31鎂合金的Gurson模型損傷參數(shù)并對鎂合金板材溫?zé)釠_壓成形過程中的材料損傷演化行為進(jìn)行了預(yù)測，但上述研究忽視不同溫度對損傷參數(shù)的影響。因此，針對7075鋁合金在不同溫度成形過程中的損傷演化行為進(jìn)行研究并實現(xiàn)仿真預(yù)測，將能實現(xiàn)對其成形性能更加準(zhǔn)確的評價。

本文作者以7075-T6鋁合金板材為研究對象，分析了其在不同溫度下變形過程中的損傷演化規(guī)律，開展了鋁合金板材在不同溫度下的方盒拉深成形實驗，

結(jié)合響應(yīng)曲面法和遺傳優(yōu)化算法確定了7075-T6鋁合金GTN細(xì)觀損傷特征參數(shù)，并進(jìn)一步基于GTN損傷模型對7075-T6鋁合金板材成形性能進(jìn)行仿真研究，進(jìn)一步結(jié)合實驗對比損傷預(yù)測的準(zhǔn)確性。

1 GTN損傷模型

GURSON[13]提出了有限大基體中含微孔洞的體胞模型并推導(dǎo)出多孔延性損傷模型，之后由TVERGARRD等[14]和NEEDLEMAN等[15]對其進(jìn)行修正，得到了能更加準(zhǔn)確描述材料在塑性變形過程中損傷劣化行為的Gurson-Tvergarrd-Needleman(GTN)損傷模型。該模型考慮了孔洞間的相互作用以及孔洞聚合的加速演化過程，被廣泛用于預(yù)測延性金屬的韌性損傷破壞。對于含球形孔洞的基體材料，GTN模型()具有如下具體形式：