鋁合金汽車部件的變形及損傷行為.pdf

1、節(jié)能和環(huán)保是當今社會發(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雜截面的構件及空間框架結構，與傳統(tǒng)的鋼制半殼型結構相比，不僅減輕了重量，而且保證這種車身具有最佳的剛度，并在此基礎上采用先進的組合框架方法將是未來交通工具發(fā)展的方向。本文結合試驗和數(shù)值計算，研究鋁合金部件重點研究復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行力學性能表征。主要對AA6014、6061、6063三種材料進行表征?？紤]擠壓所造成的材料的各向異性以及應力狀態(tài)、應變速率的影響，并對6061和6063的斷口進行觀察。在對母材進行材料表征時要綜合考慮以下幾個因素：不同應力狀態(tài)、應變速率、材料各向異性。在選擇損傷模型時要考慮到應力狀態(tài)的影響，在三向應力度較低的情況下Johnson-cook損傷模型

3、能夠很好的預測材料的損傷行為，在三向應力度較高的情況下，Gurson模型得到較好的結果。模擬時的損傷參數(shù)還與網格尺寸有關，隨著網格尺寸的增加，損傷參數(shù)減小。宏觀試驗結果表明：三種材料平板拉伸時的斷裂應變大于缺口拉伸時的斷裂應變，而平板拉伸時的屈服應力小于缺口拉伸時的屈服應力，在剪切時材料的剪切斷裂應變遠大于平板拉伸時的斷裂應變。對于6063和6061兩種材料斷口觀察發(fā)現(xiàn)，隨著三向應力度的增大，韌窩斷裂機制增加，剪切斷裂機制減小。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平板拉伸試驗所遇到的關于斷裂路徑的問題應用UMAT對斷裂路徑進行了預測。
　　 對復雜截面異厚度的均質部件在軸向載荷作用下的變形及損傷行為進行了研究。以AA6014為研究對象，部件由德國奔馳公司

5、提供。對部件進行軸向壓縮試驗，并應用前面得到的材料力學性能參數(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行預測。結果表明通過仿真與試驗相結合的方法可以得到合適的變形及損傷參數(shù)；損傷模型與三向應力度有關，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；因為損傷參數(shù)與網格尺寸相關，模擬部件時網格尺寸比模擬試樣時粗大，因此需要根據(jù)網格尺寸調整損傷參數(shù)，本文對比了不同網格尺寸模擬的結果。在部件模擬中將試樣設置為均質，為

6、得到更精確的仿真結果，與制造工藝過程相結合的仿真應該是未來仿真發(fā)展的方向。
　　 對鋁合金焊接接頭局部材料進行了力學性能表征。提出了一種雙孔微剪切試驗方法，無需制備小試樣，在被測試樣區(qū)域打兩個通孔，直接進行剪切試驗，測定了焊接接頭各區(qū)域的局部強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現(xiàn)局部材料在不同應力狀態(tài)下的變形及損傷行為。應用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，通過多次試驗發(fā)現(xiàn)，焊縫預留間隙對焊縫成形影響較大，焊接薄板時，預留合適間隙0.5～1mm時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，但這樣會增加熱影響區(qū)的寬度從而降低接頭的強度。在焊接T型接頭角焊縫時，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度計算時忽略不計，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)與母材在組織結構與力學性能上存在一定的差別，因此要想準確表征焊接接頭的性能必須要考慮焊接接頭的力學性能不均勻性。針對鋁合金對接焊接接頭及T型焊接接頭進行了雙孔微剪切試驗，并結合有限元反推法，獲得了不同焊接接頭各區(qū)域的真應力應變曲線及損傷參數(shù)。
　　 在前面研究的基礎

9、上，對平板對接接頭進行了拉伸試驗及有限元模擬。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，動態(tài)拉伸時，在沒有焊接缺陷的影響下，抗拉強度及斷裂應變比其在靜態(tài)拉伸條件下有所提高，且應變率越大，抗拉強度和斷裂應變越高；不同材料的動態(tài)拉伸試驗結果顯

10、示：6061的抗拉強度及斷裂應變與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)的動態(tài)拉伸試驗結果顯示：沿著焊縫取樣的試樣質量優(yōu)于垂直于焊縫取樣的試樣，且抗拉強度及斷裂應變高于垂直于焊縫取樣的試樣；以焊縫成形及質量良好的靜態(tài)平板拉伸試樣進行微剪切試驗，并結合有限元模擬得到焊接接頭各個區(qū)域的材料的力學性能參數(shù)及損傷參數(shù)，并應用得到的參數(shù)模擬靜態(tài)平板拉伸試驗得到了很好的結果，說明微剪切

11、試驗及建立的有限元模型的正確性；應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盡可能窄的焊縫。
　　 T型部件的試驗研究及有限元模擬。通過試驗和有

12、限元分析相結合，研究了6063鋁合金T型焊接結構在平面彎曲載荷作用下的變形及損傷行為。設計的T型試樣可以實現(xiàn)角焊縫在拉應力狀態(tài)下的變形及損傷行為，可以作為表征T型部件的“標準”試樣的參考。Gurson和Johnson-cook損傷模型能夠預測T型部件的損傷行為，Gurson模型預測結果要好于Johnson-cook模型。試驗結果表明，S型焊縫裂紋在熔合線附近產生之后逐漸向熱影響區(qū)擴展，最后宏觀裂紋在熱影響區(qū)形成。U型焊縫宏觀裂紋產生于焊