随着现代工业的迅速发展,单种资料的机能已不能满足特殊行业的使用需要[1],而通过适当工艺将两种或多种资料结合在一路的金属复合板能够耦合分歧资料的机能优势,提升板材的综合机能[2]。。。钛作为航空、航天领域常见的金属,有着耐侵蚀、耐高温、抗氧化、抗冲击韧性强等特点,但是钛也有着价值高昂、成形能力弱等较为显著的弊端,这些弊端限度着钛的宽泛利用[3-4]。。。铝作为日常生涯常见的金属,占有价值便宜、资源丰硕、密度小、成形能力较强等利益,但是铝也拥有不耐腐、不耐磨、易变形等弊端。。。钛/铝复合板占有钛合金的高强度、耐侵蚀和耐磨损等利益,又兼具铝合金轻质、导热性好和价值便宜等特点,在航空、航天和交通运输等领域有辽阔的利用远景[5]。。。

冲压作为常见的成形工艺,因其效能高、成本低等特点被宽泛利用于板材加工方面。。。普遍选取冲压胀形试验检测板材的成形机能,测试时板材的极限胀形高度越大,板材的成形能力越强。。。但由于复合板组元资料的力学机能差距较大,这种差距导致其在冲压过程中,各层的变形难以协调,影响了复合板的整体成形能力。。。因而,为了充分阐扬复合板的优势,推动其在各个领域的宽泛利用,对复合板的成形能力进行深刻钻研和分析显得尤为火急。。。目前,对复合板成形机能的钻研重要集中在组元金属的厚度比[6-7]、压边力、模具间隙等根基的工艺参数[8-11]方面。。。增长成形机能好的组元资料的厚度能够提高复合板极限胀形高度;拔取相宜的压边力能够削减褶皱和优化成形质量[12];相宜的摩擦前提能够推进板材成形,提升板材拉深成效[13]。。。但是这些钻研侧重于具体试验自身,定性地分析某一成分的成效,并不能给出一个定量分析的步骤。。。

随着推算机技术的发展,有限元仿照仿真技术被宽泛利用于板材成形过程的钻研[14-15],通过有限元仿照能够定量分析资料成形过程中的应力和应变,为现实出产提供较为靠得住的领导凭据[16]。。。然而目前的钻研重要集中于单种资料的成形仿照,而针对复合板,则是将其作为单一板材进行仿照。。。TsengHC等[17]将铝/铜金属复合板界说为各向同性的单层资料,对其拉深试验了局进行仿照预测。。。但这种仿照未思考复合板搁置挨次对板材成形机能的影响,且忽略了异种组元资料间的机能差距对板材成形机能的影响。。。AtrianA等[18]通过设置分歧的接触面与界面的摩擦因数,仿照分歧搁置挨次对板材拉深试验的影响,但这种仿照正视工艺参数的影响,忽略了组元资料的机能对成形机能的影响,LuRH等[19]将板材分裂地位的主、次应变拟合为散点图,并通过有限元预测板材的成形机能,这种仿照方式是将复合板仿照为一种新资料,但这种步骤不能预测分歧厚度比的复合板,使用领域比力受限。。。

上述钻研固然能够对复合板的成形机能进行仿照,但是对复合板组元资料的力学机能、搁置挨次、各层受力等情况不足分析。。。因而,本文使用Dynaform5.9.4有限元软件对TA1/2A12复合板进行有限元建模,通过对复合板的组元资料别离设置并施加适当的天堑前提,仿照了复合板分歧搁置挨次下的胀形过程,别离对钛层、铝层的成形极限、应变和厚度散布进行分析,最后与胀形试验了局进行比力,检验有限元模型的靠得住性。。。

1、资料与机能

1.1　试验资料

本试验选取爆炸焊接法制备的TA1/2A12复合板,板材总厚度为5.0mm,其中TA1钛合金的厚度为2.0mm,2A12铝合金的厚度为3.0mm。。。TA1钛合金和2A12铝合金的具体化学成分如表1所示。。。图1为使用配有背散射电子系统的扫描电子显微镜观察到的TA1/2A12复合板界面描摹,钛/铝复合板界面结合处无孔洞、裂缝或其他缺点,界面散布弯曲,注明TA1/2A12复合板结合优良。。。

1.2　力学机能试验

为思考板材各向异性、结合强度等机能,使用线切割将TA1钛合金和2A12铝合金别离沿板材轧向RD(0°)、与轧向呈45°方向(45°)和垂直于轧向方向TD(90°)切割出如图2所示的拉伸试样,在Instron5969电子全能试验机上以0.5mm.min^-1的速度进行室温拉伸试验。。。为测试板材的结合强度,对复合板进行剪切试验,使用线切割将复合板切割为如图3所示的剪切试样(图3中ND方向为复合板的法向方向),并以0.1mm.min^-1的速度进行室温剪切试验。。。为保障试验了局的靠得住性,以上每组试验反复3次,了局取均匀值。。。

1.3　板材力学机能

图4为TA1钛合金和2A12铝合金的室温拉伸应力-应变曲线。。。从图4能够看出,2A12铝合金比TA1钛合金的塑性变形阶段长,成形机能好。。。二者沿分歧方向的伸长率均分歧,两层板材存在肯定的各向异性。。。同时凭据式(1)得出板材分歧方向的塑性应变比r。。。

式中:l0、b0别离为变形前标距的长度和宽度;l、b别离为变形后标距的长度和宽度。。。测试出TA1钛合金和2A12铝合金的资料机能如表2所示。。。

TA1钛合金的弹性模量为105GPa,泊松比为0.33,0°、45°和90°方向的塑性应变比r0、r45、r90别离为0.70、1.35和1.47。。。2A12铝合金的弹性模量为65GPa,泊松比为0.33,0°、45°和90°方向的塑性应变比r0、r45、r90别离为0.74、0.63和0.65。。。图5为TA1/2A12复合板剪切试验的应力-应变曲线。。。从图5能够看出,应力随应变的增长先增大后减小,当应变为0.095时,剪切强度达到最大,为99.4MPa。。。当应变为0.181时,复合板从界面处分裂。。。

2、有限元仿照

2.1　有限元建模

首先,使用Solidworks软件实现凸！⒀贡呷Α⒘礁霭宀囊约鞍寄５娜。。。其中,选用底部直径为Ф100.0mm的半球形凸模;压边圈内径为Ф100.2mm、外径为Ф180.0mm;板材状态选择直径为Ф180.0mm的圆形;凹模内径为Ф109.0mm,圆角半径为5mm。。。

在Dynaform5.9.4有限元分析软件中,以?Igs体式打开模型。。。将板材类型设置为壳单元,选取高斯积分法,积分点数量设置为5,截面单元公式选用“BELYTSCHKO-TSAY”,通过网格划分职能将TA1钛合金、2A12铝合金两层板材的网格均设置为1.0mm,两层板材网格高低对齐。。。通过层压板职能将复合板界面设定为统一Z值(Z为板材厚度方向坐标),并通过资料选择职能实现组元资料属性和厚度的设定。。。通过焊缝职能设置复合板界面结合领域,焊缝网格设置为1.0mm,并与复合板界面处的网格重合,将板材结合强度设置为99.4MPa。。。最后,通过板料自动定位的职能实现模型定位,如图6所示。。。

2.2　资料本构模型

本文选用363-PARAMETER-BARLAT资料模型,该模型选取Barlat屈服准则,合用于应变状态下的各向异性弹塑性资料。。。该模型能够分析资料厚向异性对成形机能的影响,还可分析板材平面内的各向异性对成形机能的影响。。。将表2中的TA1钛合金和2A12铝合金的资料数据别离编纂至该模型,并将拉伸试验中板材沿0°、45°和90°方向屈服阶段的曲线输入至模型,实现TA1钛合金和2A12铝合金的资料编纂。。。

2.3　胀形参数的选定

本文选取双动成形的方式仿照胀形试验,重要是对TA1/2A12复合板的成形机能进行仿照分析,仿照的工艺参数按现实的工况进行拔取。。。压边圈和凹模的间隙依照板材厚度的1.1倍进行软件设置[15]。。。为了在不影响成形精度的前提下,尽可能地提高仿照的效能,通常将凸模胀形速度设置为现实工况的1000倍[20],故设置为1000mm.s^-1。。。凭据GB/T15825.3-2008[21],压边力应压紧试样,保障试样压边地位不产生变形流动,凭据上述TA1钛合金和2A12铝合金的力学机能参数,选用600kN的压边力进行胀形试验的仿照分析,以限度压边区域资料产生变形流动。。。

3、仿照了局及分析

3.1　分裂过程分析

板材极限胀形高度是衡量板材成形能力强弱的尺度之一,板材的极限胀形高度越大,板材的成形能力越强。。。图7为分歧搁置挨次下TA1/2A12复合板的成形极限图。。。钛层、铝层别离靠近凸模时,板材的极限胀形高度别离为33.9和32.0mm,钛层靠近凸模时复合板的极限胀形高度大于铝层靠近凸模时复合板的极限胀形高度。。。在分歧搁置挨次下,TA1钛合金的机能是影响钛/铝复合板成形机能的关键,这是由于相较于2A12铝合金,TA1钛合金的成形极限小,更易产生分裂。。。由图8可知,钛层的半球底部左近的应力较高,分裂产生在半球底部左近,铝层的应力较小,重要集中在半球底部和压边地位。。。对胀形试验进行受力分析可知,靠近凸模的板材受到压应力,靠近凹模的板材受到拉应力。。。由拉伸试验可知,铝层的塑性变形阶段长,成形能力更强,所以钛层靠近凸模时TA1/2A12铝复合板的极限胀形高度大于铝层靠近凸模时TA1/2A12复合板的极限胀形高度。。。将复合板成形能力弱的一侧放于靠近凸模的地位时,复合板的成形能力好,即将钛层靠近凸模？Ｄ芄惶嵘春习宓某尚文芰,钛层的搁置地位是影响复合板分裂的重要成分,后续萦绕钛、铝两层板料的应变和减薄率散布对板材成形机能进行分析。。。

3.2　应变分析

图9和图10为TA1/2A12复合板钛层、铝层别离靠近凸模时分裂瞬间的应变散布图。。。当板材处于分歧的搁置挨次时,复合板分裂瞬间钛、铝两层的应变散布类似。。。钛层高应变区域重要在半球底部左近,沿TD方向延长,反映了资料的各向异性;而铝层在半球底部左近沿TD方向的应变较大,这重要是由于复合板钛、铝两层相互结合,使得铝层与钛层应变维持一致,沿TD方向延长。。。当复合板搁置挨次分歧时,复合板的极限胀形高度存在差距,具体来说,当钛层和铝层别离靠近凸模时,TA1/2A12复合板的极限胀形高度别离为33.9和32.0mm,这是由于钛层的成形能力对TA1/2A12复合板极限胀形高度起重要作用而导致。。。当铝层靠近凸模时,钛层更易达到应变极限,从而使复合板在胀形高度较低时产生分裂。。。

3.3　厚度散布

图11和图12为复合板钛层、铝层别离靠近凸模时分裂瞬间钛、铝两层的减薄率散布图。。。当钛层靠近凸模时,钛层压边地位产生资料堆积,厚度增长,半球底部左近沿横向出现分裂,沿资料轧向减薄率散布均匀,横向散布不均匀,反映了资料的各向异性较大;铝层减薄率散布较为均匀,成形能力强,半球底部左近的减薄率较大,这是复合板之间相互作用的了局。。。当铝层靠近凸模时,钛层半球底部的减薄率较大,其他地位的减薄率较低,半球底部左近沿横向分裂。。。钛层资料厚度变动小,成形难题,当钛层靠近凸模时,资料厚度变动更均匀。。。沿板材中心的轧向每隔2mm别离丈量钛、铝两层板材减薄率,具体了局和测试方向如图13所示。。。铝层厚度散布较为均匀,无显著突变,最大减薄率为19.9%;钛层厚度存在突变,产生部门分裂。。。

4、胀形试验验证

基于上文的仿真分析了局,发展胀形试验以验证仿照的正确性。。。使用压边力为600kN、模具间隙为1.1倍板材厚度、冲压速度为1mm.s^-1的工艺参数进行TA1/2A12复合板在分歧搁置挨次下的胀形试验。。。图14为TA1/2A12复合板极限胀形高度试验了局,钛层、铝层别离靠近凸模时的现实极限胀形高度别离为35.7和33.6mm,该胀形件现实情况与仿照的了局较为类似,压边地位无褶皱,分裂产生在半球底部左近,沿横向分裂,除分裂处外复合板无显著开裂,成形成效优良。。。图15为TA1/2A12复合板胀形力-位移曲线,当复合板处于分歧搁置挨次时,板材受力情况分歧。。。有限元仿照的极限胀形高度别离为33.9和32.0mm,仿照和现实试验有着类似趋向,且极限胀形高度与仿照出的极限胀形高度误差别离为5.3%和5.0%,这注明本文基于Dynaform软件的有限元胀形仿照步骤能够较为正确地预测TA1/2A12复合板的成形机能,可为将来的钛/铝复合板以及其他复合板的成形机能仿照提供参考。。。

5、结论

(1)当钛层、铝层别离搁置在靠近凸模的地位时,极限胀形高度别离为33.9和32.0mm,复合板的粉碎大局均为钛层位于半球底部左近的地位先达到应变分裂极限而产生分裂,在复合板的结合作用下,铝层相应地位随之产生分裂。。。钛层半球底部左近的地位厚度减薄率易产生突变;铝层厚度减薄率散布较为均匀,最大可达19.9%。。。

(2)钛层的搁置挨次和资料机能是影响TA1/2A12复合板成形能力的关键,钛层半球底部左近应力较高,应变沿TD方向扩散;铝层应力较小,且应变散布较为均匀。。。所以分裂首先产生在钛层半球底部左近,沿TD方向扩散。。。当铝层靠近凸模时,钛层应变先达到极限应变,极限胀形高度较低。。。

(3)将TA1/2A12复合板钛层、铝层别离靠近凸模进行胀形仿照和试验验证,仿照的极限胀形高度与真实了局的误差别离为5.3%和5.0%,且仿照的分裂情况与现实分裂情况类似,验证了有限元模型的靠得住性,该有限元模型可对TA1/2A12复合板的成形工艺参数仿照提供肯定参考价值。。。

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