基于弹塑性形变理论拼焊板平面应力状态本构关系研究.pdf

第26卷第2期 机 械 设 计 Vo1．26 No．2 2009年 2月 JOURNALOFMACHINEDESIGN Feb． 20D9 基于弹塑性形变理论的拼焊板平面 应力状态本构关系研究 孙东继 ，林建平 ，刘瑞 同 ，郭瑞泉 ，倪锋。，阎启 (1．同济大学机械工程学院，上海 201804；2．上海宝山钢铁股份有限公司，上海 201900；3．上海大众汽车有限公司，上海 201805) 摘要：从拼焊板成形过程4个基本理论假设出发建立其平面应力状态力学模型，根据金属板料弹塑性形变理论、 Hi1148屈服准则及金属塑性变形功原理导出拼焊板成形过程中厚、薄两侧母材应变分布状态相互依赖关系的隐式方程， 并结合弹塑性理论的3个关系式建立了拼焊板在平面应力状态下的本构关系；采用通过实验验证的差厚拼焊板单向拉 伸有限元模型分析了沿焊缝两侧母材的应力应变分布，且将仿真结果中厚板侧母材的两个面主应变分量作为前述本构 关系已知条件，用数值方法求解出薄板侧母材的面内主应变与主应力分量，将其与相应仿真结果进行对比。对比结果表 明，理论计算数值与仿真结果较为吻合，从而证明了拼焊板平面应力状态本构关系的正确性，为深入研究拼焊板冲压成 形机理奠定 了理论基础 。 关键词：拼焊板 ；本构关系；平面应力状态；有限元 中图分类号：TG386 文献标识码：A 文章编号：1001—2354(2009)02—0012—05 拼焊板 (Tailor．weldedblank，TWB)是将几块平板料焊接成 方程，结合弹塑性理论的3个关系式建立了拼焊板在平面应力 一 块整体板，再经过落料、拉延、冲孔、整形等工序而形成冲压 状态下的本构关系；参考金属薄板拉伸试样的国际标准尺寸， 件，且其组成板料可以具有不同厚度、性能、材质和表面涂层， 建立了焊缝垂直拉伸方向的单向拉伸有限元模型，并通过实验 以满足零件不同部位的强度和刚度等性能要求。与传统的单 证明了该模型的正确性；利用该有限元模型进行 了拼焊板厚 一 板相比，其优点在于：冲压变形前已将各部件焊接在一起，焊 薄、两侧应变及应力分布研究，并将厚板的两个侧面内主应变 接残余变形基本消除，可以提高部件整体精度和质量 ；改善部 分量作为已知量，根据文中提出的本构关系，采用数值方法计 件局部抗冲击的能力；降低部件质量，使材料充分发挥其作 算出薄板侧面内的主应变和主应力分量，通过与有限元分析结 用”。。然而，已有实验研究表明：由于焊缝及其两边板厚、材 果进行对比，证明了该本构关系的正确性，为深入研究拼焊板 料性能等差异性 ，拼焊板成形性能较单一板有很大区别，其成 冲压成形机理奠定了理论基础。 形过程中的焊缝移动与弱 (薄)板侧提前开裂等问题影响了其 整体成形能力 j。虽然国内外学者对提高拼焊板成形能力和 1 拼焊板平面应力状态本构关系 控制焊缝移动等问题进行了大量的研究，并发现母材的厚度差 异、材料性能差异等问题是影响拼焊板总体成形能力的重要因 由于拼焊板成形的变形体为板料，而板料变形时大都处于 素 ，但对其成形过程中母材的应力或应变分布规律及拼焊 平面应力状态，垂直于板面方向(厚度方向)的应力为0或较 板本构关系方面研究不够透彻，故限制了对其冲压成形机理的 小 ，可以忽略不计。换句话讲，一般的拼焊板成形，如胀形、拉 深入研究。 伸等 ，只需考虑板面内应力的作用 ，忽略厚度方向应力对成形 文中立足拼焊板成形过程中焊缝两侧母材应力应变分布 的影响，将其作为平面应力状态进行分析。 相互依赖关系，针对激光拼焊板的成形特点提出了4个基本理 1．1 拼焊板平面应力状态力学模型 论假设，建立了拼焊板平面应力状态下的力学模型 ；根据金属 由于焊缝力学性能不易测得，且其变形行为也不明确，故