基于损伤因子的7075铝合金B柱热成形工艺优化*

庄蔚敏， 李冰娇， 解东旋

(吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022)



2015228

基于损伤因子的7075铝合金B柱热成形工艺优化*

庄蔚敏， 李冰娇， 解东旋

(吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022)

针对仿真中难以简单判断7075铝合金热成形失效的问题，引入损伤因子作为评判失效的参数。首先，建立了7075铝合金高温损伤本构方程。随后，使用FORTRAN语言编写Ls-dyna用户自定义材料子程序，对B柱进行热成形有限元分析，研究单一参数变化对B柱成形最大损伤值的影响。最后，利用正交实验分析对成形参数进行优化，最终确定了一组最优成形工艺参数组合：板料初始温度420℃，模具初始温度60℃，摩擦因数0.15，压边力6 000N，冲压速度230mm/s。

铝合金；B柱；损伤；热成形；工艺优化

前言

7075铝合金具有比强度高、比刚度大和密度小等优点，已经广泛应用于航空航天等领域。随着汽车安全性和轻量化需求的增加，这种高强度铝合金在车身上的大量应用将是未来发展的趋势[1]。但是铝合金在常温下成形性差，采用冷成形工艺很难获得复杂的车身结构件，而采用热成形工艺可以解决 这一问题。文献[2]中通过实验发现，当板料温度超过250℃或应变率低于0.1s-1时，铝合金的性能才会有所提高。文献[3]中提出了HFQ(固溶处理-成形-冷模具淬火)工艺，可有效解决铝合金成形过程中塑性小和回弹大的缺陷[3]。通过国内外学者多年来的大量研究，铝合金板料的成形性能已得到显著提高[4]。金属零件成形仿真模拟时通常用成形极限图(forming limit diagram，FLD)来评价成形性能，但铝合金温热成形与温度和应变率相关，简单的FLD无法准确地为板料失效提供判断依据[5]。文献[6]中提出基于损伤力学判断板料成形失效，并对简单结构件进行成形性分析。

本文中基于连续介质损伤力学建立7075铝合金高温本构方程，并编写Ls-dyna用户自定义材料子程序进行有限元分析，利用损伤因子判断板料成形失效，将该评价方法应用在B柱热成形工艺参数优化上，分析热成形过程中各工艺参数对B柱成形性能的影响。最终，利用正交实验方法确定一组最优工艺参数，为实际生产提供指导。

1 7075铝合金损伤本构模型的建立

1.1 基于连续介质损伤力学建立本构方程

国外学者对黏塑性连续介质损伤力学本构方程进行了大量的研究，例如蠕变、再结晶和回复等，有的提出了基于位错硬化的本构方程[7-10]。基于6028铝合金等材料的本构方程[8]，建立了7075铝合金的损伤本构方程：

(1)

(2)

(3)

σ=E(1-ω)(ε-ερ)

(4)

(5)

K=K0exp(QK/RT)

(6)

k=k0exp(Qk/RT)

(7)

B=B01(1/T)B02

(8)

C=C0exp(-QC/RT)

(9)

E=E0exp(QE/RT)

江山如棋轮转在儿男们的铁骑中，翠玉白衣，皇家乌有，武功盖世又如何？尽出万花谷子弟，能唤得醒天下醉生梦死的达官贵人平民百姓？正如同眼前这一局棋还能救吗？有救吗？白子历历，好像将士在马蹄刀枪下呼号，看得乌有先生心惊胆寒，老泪涟涟，当此之时，恐怕王积薪由谷里赶来，也会束手无策。过去几年，王积薪将自己关在棋室里，苦苦解析媪妇谱，怕也是卡在这里，无法再有寸进。

(10)

δ1=δ01exp(-Qδ1/RT)

(11)

δ2=δ02exp(-Qδ2/RT)

(12)

δ3=δ03exp(-Qδ3/RT)

(13)

A=A0exp(-QA/RT)

(14)

n=n0exp(Qn/RT)

(15)

以上10个材料常数的公式中又有21个常数，它们的数值可选择多目标遗传优化算法，利用ISIGHT和MATLAB联合确定，结果见表1[11]。

表1 7075铝合金损伤本构模型中的材料常数

1.2 子程序编写与结果验证

使用FORTRAN语言将损伤本构方程编写为Ls-dyna用户自定义材料子程序，并生成相应的求解器。将不同温度和应变率下的模拟结果与7075铝合金单拉试验结果进行对比，如图1所示。可见二者吻合良好，证明了该本构方程的有效性，能够用于7075铝合金热成形的有限元分析。

2 成形损伤验证

在MTS试验机上进行7075-T6铝合金成形极限图试验[12]，试验后试件如图2所示，凸模速度是5mm/s，温度是180～220℃。

按照试验条件用LS-dyna仿真模拟试验过程，因为试件外形和受力均沿中心轴线对称，采用试件的1/4部分进行计算。板料直径为180mm，凸模直径为100mm，模具和板料分别采用平均尺寸为9mm的壳单元进行离散，设定模具为刚性，板料应用用户自定义损伤材料模型，二者的热属性材料均采用MAT_THERMAL_ISOTROPI模型，具体参数见表2。成形过程中，凹模和压边圈保持静止，凸模以恒定速度进行冲压，主要工艺参数见表3。图3为板料失效时损伤值的分布云图。

密度/(kg/mm3)比热容/(mJ/(kg·K))热传导率/(mW/(mm·K))板料/模具2.7e-98.9e+8170

表3 成形工艺参数

由试验和仿真结果对比可知，板料断裂处与最大损伤值的位置一致，说明用损伤因子来判断板料失效是可行的。

3 B柱加强板热成形工艺的优化

铝合金板料的热成形性能受到板料和模具的初始温度、冲压速度、摩擦因数和压边力等因素的影响。通过B柱热成形过程的仿真，分析上述各工艺参数变化对板料成形性能和板料损伤的影响，最终根据正交试验确定一组最优的成形工艺参数。

3.1 工艺参数对B柱加强板成形性能的影响

3.1.1 板料初始温度的影响

设定模具初始温度为20℃，摩擦因数为0.4，压板力为10 000N，冲压速度为270mm/s。板料初始温度分别取420，400，380和350℃时，成形后B柱的损伤分布云图如图4所示。

图5为最大损伤值随板料初始温度变化曲线。由图可见，随着板料初始温度从420℃逐渐降低，成形后B柱的最大损伤值缓慢上升。当板料初始温度低于380℃时，成形B柱的最大损伤值急剧升高，到350℃时则完全失效，成形性很差。

3.1.2 模具初始温度的影响

设定板料初始温度为420℃，摩擦因数为0.4，压边力为10 000N，冲压速度为270mm/s。模具初始温度分别取20,60,100和150℃时，最大损伤值的变化曲线如图6所示。由图可见，随着模具初始温度的升高，成形后B柱的最大损伤值呈线性递减。

3.1.3 摩擦因数的影响

设定板料初始温度为420℃，模具初始温度为20℃，压边力为10 000N，冲压速度为270mm/s。摩擦因数分别取0.1,0.2,0.3和0.4时最大损伤值的变化曲线如图7所示。由图可见，当摩擦因数低于0.3时，成形B柱的最大损伤值随摩擦因数的增加缓慢增加；而当摩擦因数高于0.3后，损伤值急剧上升。

3.1.4 压边力的影响

设定板料初始温度为420℃，模具初始温度为20℃，摩擦因数为0.4，冲压速度为270mm/s。压边力分别取6 000，8 000，10 000和15 000N时，最大损伤值的变化如图8所示。由图可见，当压边力小于10 000N时，压边力的增加对成形B柱的最大损伤值影响不大；而压边力超过10 000N后，损伤值急剧增加，当达到15 000N时则完全失效，板料的成形性能很差。

3.1.5 冲压速度的影响

设定板料初始温度为420℃，模具初始温度为20℃，摩擦因数为0.4，压边力为10 000N。冲压速度分别取250，270，290和310mm/s时，最大损伤值的变化曲线如图9所示。由图可见，随着冲压速度的增加，成形后B柱的最大损伤值变化不大，当冲压速度大于290mm/s时，成形B柱的最大损伤值急剧升高，达到310mm/s时则完全失效，板料的成形性能变得很差。

3.2 工艺参数优化

考虑到B柱热成形性能受上述5个工艺参数的综合作用，为得到具有最佳成形性能的车身B柱，本文中选用正交试验法[13]，评价指标为本构中的损伤因子。

本文中考虑了B柱热成形的5个最主要成形参数[14]，建立因素水平表，见表4。该表为4因素4水平，一共需要L16(45)即16次试验。通过仿真分析获得的正交试验结果见表5，由极差值R可知，各工艺参数对B柱成形性能的影响程度由大到小依次为：板料初始温度(A)，冲压速度(E)，摩擦因数(C)，压边力(D)和模具初始温度(B)。由于评价指标是损伤因子，指标越小越好，所以应挑选每个因素的K1～K4中最小值对应的那个水平，得到优化方案为A4B2C1D1E2。

优化方案的B柱仿真损伤云图见图10，最大损伤值为0.019 4，而正交试验中最小的最大损伤值是0.021 85(A4B4C1D3E2)，因此经验证A4B2C1D1E2为最优方案，即板料初始温度为420℃，模具初始温度为60℃，摩擦因数为0.15，压边力为6 000N，冲压速度为230mm/s。

表4 因素水平表

4 结论

本文中引入损伤因子作为判断7075铝合金成形失效的依据，当损伤因子达到0.7时，材料成形破裂。根据这一标准，可以得到B柱加强板热成形过程中，各工艺参数对板料成形性能的影响：当板料初始温度低于350℃时，B柱发生失效，板料的成形性能差；随着模具初始温度的升高，B柱的最大损伤值线性递减；当摩擦因数低于0.3时，摩擦因数的增加对B柱的成形影响不大，但当摩擦因数高于0.3时，损伤值随摩擦因数的增大而逐渐增大；当压边力超过10 000N后，板料的损伤值急剧增加，当达到15 000N时B柱完全失效；冲压速度越大，板料的损伤值越大，当冲压速度达到310mm/s时，B柱完全失效。

B柱热成形性能受到5个工艺参数的综合影响，各工艺参数影响程度由大到小依次为：板料初始温度、冲压速度、摩擦因数、压边力和模具初始温度。最终得到最优工业方案为：板料初始温度为420℃，冲压速度为230mm/s，摩擦因数为0.15，压边力为6 000N，模具初始温度为60℃。

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Thermoforming Process Optimization for B Pillar of 7075 Aluminum AlloyBased on Damage Factor

Zhuang Weimin, Li Bingjiao & Xie Dongxuan

JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130022

To overcome the difficulty in judging the thermoforming failure of 7075 aluminum alloy, a damage factor is introduced as a failure judgment parameter. Firstly, the thermal damage constitutive equation of 7075 aluminum alloy is established, with a corresponding user-defined material subroutine in Ls-dyna created with FORTRAN language. Then a finite element analysis is conducted on the thermoforming of B pillar to study the effects of single parameter change on the maximum forming damage of B pillar. Finally, the forming parameters are optimized by using orthogonal experiment, and a set of optimal parameters of forming process is determined: an initial sheet temperature of 420℃, an initial die temperature of 60℃, a friction coefficient of 0.15, a blank-holder force of 6000N and a stamping speed of 230mm/s.

aluminum alloy；B pillar；damage；thermoforming；process optimization

*国家自然科学基金(51075178)和吉林省自然科学基金(20130101048JC)资助。

原稿收到日期为2015年3月30日，修改稿收到日期为2015年4月28日。