高強(qiáng)IF鋼應(yīng)變硬化模型研究及在仿真對標(biāo)中的應(yīng)用

王連軒，張秀宏，牛月鵬

(河鋼集團(tuán)邯鋼公司技術(shù)中心，河北 邯鄲 056015)

材料力學(xué)性能多指五大指標(biāo)，即材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率和斷面收縮率以及一次沖擊 a k 值[1]。長期以來，汽車零件一直是以材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等基本力學(xué)性能指標(biāo)作為設(shè)計(jì)的依據(jù)，并以此來預(yù)測零件的靜態(tài)性能[2]。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字模擬技術(shù)的發(fā)展，材料的應(yīng)變硬化模型在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、先進(jìn)成形工藝仿真和安全仿真分析中得到了廣泛應(yīng)用[3-6]。在進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算時，比如成形分析、剛度分析、強(qiáng)度分析、碰撞性能分析，需要以材料的真實(shí)應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線為輸入，該曲線是否能夠正確反映材料的真實(shí)性能是仿真分析關(guān)鍵。通過拉伸試驗(yàn)機(jī)可以獲得材料的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，但由于縮頸后的曲線并不能代表材料真實(shí)的應(yīng)變強(qiáng)化，需要通過采用本構(gòu)方程進(jìn)行擬合外推。目前常用的擬合外推的模型包括Ludwik本構(gòu)方程、Swift本構(gòu)方程、Gosh本構(gòu)方程、Hockett-Sherby本構(gòu)方程、Swift- Hockett-Sherby混合本構(gòu)方程等。本文通過驗(yàn)證，采用Swift本構(gòu)方程擬合外推的曲線應(yīng)變硬化強(qiáng)度高，采用Hockett-Sherby本構(gòu)方程擬合外推的曲線應(yīng)變硬化強(qiáng)度弱。因此本文通過采用加權(quán)系數(shù)構(gòu)成Swift- Hockett-Sherby混合應(yīng)變硬化模型，并采用仿真對標(biāo)確定合適的加權(quán)系數(shù)。

1 拉伸試驗(yàn)設(shè)備介紹

采用Zwick/Roell Z100XL型全自動電子拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試樣。Zwick/Roell Z100XL型是全自動電子拉力試驗(yàn)機(jī)，其最大的優(yōu)勢就是拉伸試驗(yàn)試樣的夾持一致性高，避免人為夾持不對稱、傾斜等缺點(diǎn)。Zwick/Roell Z100XL型全自動電子拉力試驗(yàn)機(jī)配置全自動縱向和橫向引伸計(jì)、全自動橫截面測量臺、TestXpert智能測試軟件。整臺設(shè)備可以滿足金屬試樣的全自動拉伸試驗(yàn)測試要求，以及金屬薄板n值、r值試驗(yàn)要求。具備檢測IF鋼、低合金高強(qiáng)鋼、雙相鋼、馬氏體鋼等汽車板材料的基礎(chǔ)拉伸性能和應(yīng)力應(yīng)變曲線的測試。

2 拉伸試樣尺寸及測試方法

高強(qiáng)IF鋼試樣采用GB/T 228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的P6試樣(見圖1)，矩形試樣，其中L0=80 mm，b0=20 mm。L0為試樣原始標(biāo)距，0為試樣平行長度的原始寬度。為了減小應(yīng)變速率硬化效果，提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。材料發(fā)生屈服前應(yīng)力速率最大60 MPa/s，材料在塑性范圍和直至抗拉強(qiáng)度應(yīng)變速率不超過0.0025/s。

圖1 拉伸試樣示意圖

3 試驗(yàn)材料及力學(xué)性能

試驗(yàn)材料為CR180IF和CR260IF，裸板，材料力學(xué)性能見表1所示。

表1 力學(xué)性能

4 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線的檢測與數(shù)據(jù)處理

通過Zwick/Roell Z100XL型拉力試驗(yàn)機(jī)獲得CR180IF和CR260IF工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖2所示)，其中工程應(yīng)力為載荷與試樣原始橫截面之比，工程應(yīng)變?yōu)樵紭?biāo)距的伸長與原始標(biāo)距L0之比。CR180IF在抗拉強(qiáng)度(358.7 MPa)后發(fā)生縮頸，縮頸點(diǎn)對應(yīng)的工程應(yīng)變?yōu)?.210。CR260IF在抗拉強(qiáng)度(420.3 MPa)后發(fā)生縮頸，縮頸點(diǎn)對應(yīng)的工程應(yīng)變?yōu)?.208。利用公式1-3將工程應(yīng)力和工程應(yīng)變分別轉(zhuǎn)化為真實(shí)應(yīng)力和塑性應(yīng)變，并去掉縮頸點(diǎn)以后的曲線獲得真實(shí)應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線(見圖2所示)。

真實(shí)應(yīng)變計(jì)算方法，εT=ln(1+ε)，ε為工程應(yīng)變。(1)

真實(shí)應(yīng)力計(jì)算方法，στ=σ*(1+ε),σ、ε分別為工程應(yīng)力應(yīng)變(2)

塑性應(yīng)變計(jì)算方法，εplastic=ετ-στ/E

(3)

其中，εplastic為塑性應(yīng)變，ετ為真實(shí)應(yīng)變，στ為真實(shí)應(yīng)力，E為彈性模量。

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

5 本構(gòu)方程擬合

獲得真實(shí)應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線后，采用Swift- Hockett-Sherby混合本構(gòu)方程對真實(shí)應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線進(jìn)行統(tǒng)一擬合外推到1。其中Swift- Hockett-Sherby混合本構(gòu)方程如下:

(1)Swift本構(gòu)方程：

σ=c*(εp1+εD)m

(2)Hockett-Sherby本構(gòu)方程：

σ=σsat-(σsat-σi)e

(3)Swift- Hockett-Sherby混合本構(gòu)方程:

σ=(1-α)*[*(εp1+εD)m]+α*[σsat-(σsat-σi)e]

首先擬合Swift本構(gòu)方程，獲得c、εD、m三個系數(shù)，然后擬合Hockett-Sherby本構(gòu)方程，獲得σsat、σi、α、p四個參數(shù)，擬合參數(shù)見表2所示。

表2 擬合參數(shù)

以CR260IF為例，不同加權(quán)系數(shù)本構(gòu)方程的擬合曲線見圖3所示，并與獲得的真實(shí)應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線對比。加權(quán)系數(shù)α=0的曲線可以認(rèn)為是Swift本構(gòu)方程，α=1的曲線可以認(rèn)為是Hockett-Sherby本構(gòu)方程。從擬合曲線看，在縮頸前Swift和Hockett-Sherby本構(gòu)方程都能夠很好的擬合真實(shí)應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線。但是縮頸后，Swift本構(gòu)方程的應(yīng)變硬化的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于Hockett-Sherby本構(gòu)方程。通過不同的加權(quán)系數(shù)α，可以改變縮頸后材料的應(yīng)變硬化強(qiáng)度。

圖3 不同權(quán)重系數(shù)的本構(gòu)方程擬合曲線

6 仿真對標(biāo)分析

按照實(shí)際拉伸試樣尺寸建立拉伸仿真模型，具體見圖4所示。為了保證仿真的準(zhǔn)確性，采用實(shí)體模型，厚度2 mm。試樣一端約束，另一端加載1 mm/s速度。輸出載荷力和位移曲線，計(jì)算工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

采用不同的α參數(shù)輸入仿真模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算獲得工程應(yīng)力-應(yīng)變仿真曲線，并與拉伸試驗(yàn)機(jī)檢測的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行對比，具體見圖5所示。

圖4 拉伸對標(biāo)模型

針對CR180IF，縮頸前(工程應(yīng)變<0.210)，所有本構(gòu)方程仿真計(jì)算的曲線與試驗(yàn)曲線吻合的非常好。縮頸后采用α=0.5仿真計(jì)算的曲線與試驗(yàn)曲線的吻合度要好于α=0.4和α=0.6。應(yīng)變從0.2到0.36范圍內(nèi)，工程應(yīng)力的試驗(yàn)值和仿真值對比見表3所示。通過拉伸試驗(yàn)和仿真計(jì)算獲得的工程應(yīng)力差值小于5.4 MPa，相對差值在1.6%以內(nèi)，仿真計(jì)算能很好的吻合試驗(yàn)值。

針對CR260IF，縮頸前(工程應(yīng)變<0.208)，所有本構(gòu)方程仿真計(jì)算的曲線與試驗(yàn)曲線吻合的非常好?？s頸后采用α=0.4仿真計(jì)算的曲線與試驗(yàn)曲線的吻合度要好于α=0.3和α=0.5。應(yīng)變從0.2到0.36范圍內(nèi)，工程應(yīng)力的試驗(yàn)值和仿真值對比見表4所示。通過拉伸試驗(yàn)和仿真計(jì)算獲得的工程應(yīng)力差值小于7 MPa，相對差值在2%以內(nèi)，仿真計(jì)算能很好的吻合試驗(yàn)值。

7 結(jié)論

在拉伸試驗(yàn)過程中，當(dāng)材料超過抗拉強(qiáng)度就會發(fā)生局部縮頸，因此縮頸后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線并不能反映真實(shí)的應(yīng)變強(qiáng)化，需要利用本構(gòu)方程進(jìn)行擬合外推。Swift本構(gòu)方程擬合外推的曲線應(yīng)變強(qiáng)化較大，而Hockett-Sherby本構(gòu)方程擬合外推的曲線應(yīng)變強(qiáng)化偏弱。針對高強(qiáng)IF鋼CR180IF和CR260IF，采用Swift-Hockett-Sherby混合本構(gòu)方程，通過加權(quán)不同的系數(shù)獲得不同的應(yīng)變強(qiáng)化。通過仿真對標(biāo)，當(dāng)加權(quán)系數(shù)分別為0.4、0.5時，CR180IF和CR260IF拉伸試驗(yàn)曲線和仿真計(jì)算曲線擬合最好。CR180IF從0.2到0.36范圍內(nèi)，通過拉伸試驗(yàn)和仿真計(jì)算獲得的工程應(yīng)力差值小于5.4 MPa，相對差值在2%以內(nèi)；CR260IF從0.2到0.36范圍內(nèi)，通過拉伸試驗(yàn)和仿真計(jì)算獲得的工程應(yīng)力差值小于7 MPa，相對差值在2%以內(nèi)。

(1)CR180IF (2)CR260IF圖5 高強(qiáng)IF鋼試驗(yàn)曲線和仿真曲線對比

表3 CR180IF工程應(yīng)力試驗(yàn)值與仿真值的對比

表4 CR260IF工程應(yīng)力試驗(yàn)值與仿真值的對比