鋁合金汽車部件的變形及損傷行為.pdf

1、節(jié)能和環(huán)保是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的主題，汽車輕量化正是滿足了這一需求。鋁合金的比強(qiáng)度超過鋼，但比剛度較差。由于鋁合金具有較好的延展性，通過擠壓、沖壓、壓鑄、焊接等工藝能得到復(fù)雜截面的構(gòu)件及空間框架結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的鋼制半殼型結(jié)構(gòu)相比，不僅減輕了重量，而且保證這種車身具有最佳的剛度，并在此基礎(chǔ)上采用先進(jìn)的組合框架方法將是未來交通工具發(fā)展的方向。本文結(jié)合試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，研究鋁合金部件重點(diǎn)研究復(fù)雜截面擠壓部件在軸向載荷作用下的變形及損傷行為和T型管焊接部

2、件在平面彎曲載荷作用下的變形和損傷行為。
　　 首先對6000系列車用鋁合金材料進(jìn)行力學(xué)性能表征。主要對AA6014、6061、6063三種材料進(jìn)行表征。考慮擠壓所造成的材料的各向異性以及應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變速率的影響，并對6061和6063的斷口進(jìn)行觀察。在對母材進(jìn)行材料表征時(shí)要綜合考慮以下幾個(gè)因素：不同應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變速率、材料各向異性。在選擇損傷模型時(shí)要考慮到應(yīng)力狀態(tài)的影響，在三向應(yīng)力度較低的情況下Johnson-cook損傷模型

3、能夠很好的預(yù)測材料的損傷行為，在三向應(yīng)力度較高的情況下，Gurson模型得到較好的結(jié)果。模擬時(shí)的損傷參數(shù)還與網(wǎng)格尺寸有關(guān)，隨著網(wǎng)格尺寸的增加，損傷參數(shù)減小。宏觀試驗(yàn)結(jié)果表明：三種材料平板拉伸時(shí)的斷裂應(yīng)變大于缺口拉伸時(shí)的斷裂應(yīng)變，而平板拉伸時(shí)的屈服應(yīng)力小于缺口拉伸時(shí)的屈服應(yīng)力，在剪切時(shí)材料的剪切斷裂應(yīng)變遠(yuǎn)大于平板拉伸時(shí)的斷裂應(yīng)變。對于6063和6061兩種材料斷口觀察發(fā)現(xiàn)，隨著三向應(yīng)力度的增大，韌窩斷裂機(jī)制增加，剪切斷裂機(jī)制減小。缺口拉伸

4、斷口主要以韌窩為主，而剪切斷口是以大型剪切韌窩和剪切面為主。平板拉伸試樣宏觀斷口為剪切斷裂和正拉伸斷裂兩種混合方式，最終的斷裂以剪切斷裂為主，宏觀上表現(xiàn)為或者沿寬度方向剪斷，或者沿厚度方向剪斷；缺口拉伸試樣主要以拉伸斷裂為主。針對6063平板拉伸試驗(yàn)所遇到的關(guān)于斷裂路徑的問題應(yīng)用UMAT對斷裂路徑進(jìn)行了預(yù)測。
　　 對復(fù)雜截面異厚度的均質(zhì)部件在軸向載荷作用下的變形及損傷行為進(jìn)行了研究。以AA6014為研究對象，部件由德國奔馳公司

5、提供。對部件進(jìn)行軸向壓縮試驗(yàn)，并應(yīng)用前面得到的材料力學(xué)性能參數(shù)及損傷參數(shù)對部件在軸向載荷作用下的變形及損傷行為進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果表明通過仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法可以得到合適的變形及損傷參數(shù)；損傷模型與三向應(yīng)力度有關(guān)，因此要選擇合適的損傷模型模擬不同載荷作用下的材料的變形及損傷行為；因?yàn)閾p傷參數(shù)與網(wǎng)格尺寸相關(guān)，模擬部件時(shí)網(wǎng)格尺寸比模擬試樣時(shí)粗大，因此需要根據(jù)網(wǎng)格尺寸調(diào)整損傷參數(shù)，本文對比了不同網(wǎng)格尺寸模擬的結(jié)果。在部件模擬中將試樣設(shè)置為均質(zhì)，為

6、得到更精確的仿真結(jié)果，與制造工藝過程相結(jié)合的仿真應(yīng)該是未來仿真發(fā)展的方向。
　　 對鋁合金焊接接頭局部材料進(jìn)行了力學(xué)性能表征。提出了一種雙孔微剪切試驗(yàn)方法，無需制備小試樣，在被測試樣區(qū)域打兩個(gè)通孔，直接進(jìn)行剪切試驗(yàn)，測定了焊接接頭各區(qū)域的局部強(qiáng)度及局部材料的剪切變形和損傷行為。并通過改變兩孔之間的距離及孔的半徑來實(shí)現(xiàn)局部材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的變形及損傷行為。應(yīng)用TIG(Tungsten inert Gas)焊制備鋁合金焊接接頭，

7、其中對接接頭母材為6061和6063，T型板接頭及T型管接頭母材為6063。焊接對接接頭時(shí)，通過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊縫預(yù)留間隙對焊縫成形影響較大，焊接薄板時(shí)，預(yù)留合適間隙0.5～1mm時(shí)有利于焊縫雙面成形，間隙過大易發(fā)生焊縫燒穿，間隙太小需要較大的熱輸入才能保證焊縫成形，但這樣會(huì)增加熱影響區(qū)的寬度從而降低接頭的強(qiáng)度。在焊接T型接頭角焊縫時(shí)，由于板薄焊接電流相對較小，因此角焊縫的熔深也很小，焊縫預(yù)留間隙和開坡口對增加焊縫的熔深幾乎沒有效果，反

8、而會(huì)出現(xiàn)焊縫塌陷和形成冷搭接現(xiàn)象。因此文中所有角焊縫的熔深在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)忽略不計(jì)，有限元模型中也不考慮角焊縫熔深。金相觀察及硬度分析可以發(fā)現(xiàn)，焊接接頭的焊縫及熱影響區(qū)與母材在組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能上存在一定的差別，因此要想準(zhǔn)確表征焊接接頭的性能必須要考慮焊接接頭的力學(xué)性能不均勻性。針對鋁合金對接焊接接頭及T型焊接接頭進(jìn)行了雙孔微剪切試驗(yàn)，并結(jié)合有限元反推法，獲得了不同焊接接頭各區(qū)域的真應(yīng)力應(yīng)變曲線及損傷參數(shù)。
　　 在前面研究的基礎(chǔ)

9、上，對平板對接接頭進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)及有限元模擬。選用成形良好的焊接接頭，主要研究熔化焊對接接頭在動(dòng)載荷及靜載荷作用下的變形及損傷行為。并且基于Gurson和Johnson-cook損傷模型結(jié)合有限元模擬研究低匹配和高匹配焊接接頭及不同匹配情況下焊縫相對寬度對接頭性能的影響。同樣的焊接工藝下，動(dòng)態(tài)拉伸時(shí)，在沒有焊接缺陷的影響下，抗拉強(qiáng)度及斷裂應(yīng)變比其在靜態(tài)拉伸條件下有所提高，且應(yīng)變率越大，抗拉強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變越高；不同材料的動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯

10、示：6061的抗拉強(qiáng)度及斷裂應(yīng)變與6063相比要高些，說明6061的材料性能優(yōu)于6063；同樣材料不同的取樣方式(垂直于焊縫和沿著焊縫)的動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示：沿著焊縫取樣的試樣質(zhì)量優(yōu)于垂直于焊縫取樣的試樣，且抗拉強(qiáng)度及斷裂應(yīng)變高于垂直于焊縫取樣的試樣；以焊縫成形及質(zhì)量良好的靜態(tài)平板拉伸試樣進(jìn)行微剪切試驗(yàn)，并結(jié)合有限元模擬得到焊接接頭各個(gè)區(qū)域的材料的力學(xué)性能參數(shù)及損傷參數(shù)，并應(yīng)用得到的參數(shù)模擬靜態(tài)平板拉伸試驗(yàn)得到了很好的結(jié)果，說明微剪切

11、試驗(yàn)及建立的有限元模型的正確性；應(yīng)用有限元仿真的方法研究了不同匹配焊接接頭及焊縫相對寬度對接頭性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：對于低匹配的焊接接頭，損傷主要發(fā)生在熱影響區(qū)，且相對寬度越窄，損傷越容易發(fā)生，因此建議對于低匹配的焊接接頭要選擇一個(gè)合理的寬度的焊縫；對于高匹配焊接接頭，損傷主要發(fā)生在母材上，且相對寬度越窄，損傷越不容易發(fā)生，因此建議對于高匹配的焊接接頭要選擇一個(gè)盡可能窄的焊縫。
　　 T型部件的試驗(yàn)研究及有限元模擬。通過試驗(yàn)和有

12、限元分析相結(jié)合，研究了6063鋁合金T型焊接結(jié)構(gòu)在平面彎曲載荷作用下的變形及損傷行為。設(shè)計(jì)的T型試樣可以實(shí)現(xiàn)角焊縫在拉應(yīng)力狀態(tài)下的變形及損傷行為，可以作為表征T型部件的“標(biāo)準(zhǔn)”試樣的參考。Gurson和Johnson-cook損傷模型能夠預(yù)測T型部件的損傷行為，Gurson模型預(yù)測結(jié)果要好于Johnson-cook模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，S型焊縫裂紋在熔合線附近產(chǎn)生之后逐漸向熱影響區(qū)擴(kuò)展，最后宏觀裂紋在熱影響區(qū)形成。U型焊縫宏觀裂紋產(chǎn)生于焊