1、第 30 卷 第 2 期2023 年 2 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.2Feb.2023引文格式:凡晓波,孔繁宇,王旭刚,等.ST16 薄壁曲面件拉深成形起皱规律 J.塑性工程学报,2023,30(2):34-40.FAN Xiaobo,KONG Fanyu,WANG Xugang,et al.Wrinkling law of ST16 curved shell in deep drawing J.Journal of Plasticity Engineering,2023,(2):34-40.基金项目:国家重点研发计划(
2、2019YFA0708804);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DUT20ZD101)第一作者:凡晓波(通信作者),男,1987 年生,博士,副研究员,主要从事铝合金超低温成形工艺与机理研究,E-mail: 收稿日期:2022-03-28;修订日期:2022-11-30ST16 薄壁曲面件拉深成形起皱规律凡晓波1,孔繁宇1,王旭刚2,黄楚晗1,洪吉庆1(1.大连理工大学 机械工程学院,辽宁 大连 116000;2.哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)摘 要:采用 ST16 钢板,以直径为 200 mm、厚径比为 0.5%的球形薄壁曲面件作为研究对象,通过数
3、值模拟和工艺实验研究了拉延筋与压边力耦合作用下薄壁曲面件的起皱规律。结果表明,无拉延筋时需要 4 MPa 的压边力才能抑制起皱缺陷;使用拉延筋时仅需 1 MPa 压边力即可抑制起皱,通过设置拉延筋可以大幅降低压边力。大的拉延筋中心距更利于抑制起皱,但会加重壁厚减薄。选择合适的拉延筋中心距可以在抑制起皱的同时调控壁厚均匀性,最终实验试件的最大壁厚减薄率仅为10.4%。关键词:薄壁曲面件;拉深成形;起皱规律;拉延筋;数值模拟中图分类号:TG386 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)02-0034-07doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.0
4、04Wrinkling law of ST16 curved shell in deep drawingFAN Xiao-bo1,KONG Fan-yu1,WANG Xu-gang2,HUANG Chu-han1,HONG Ji-qing1(1.School of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116000,China;2.School of Materials Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,C
5、hina)Abstract:Using ST16 steel sheet,taking the spherical curved shell with the diameter of 200 mm and thickness diameter ratio of 0.5%as the research object,the wrinkling law of curved shell under the coupling action of draw bead and blank holder force was studied by nu-merical simulation and techn
6、ological experiments.The results show that blank holder force of 4 MPa is required to suppress wrinkling without draw bead,and blank holder force of 1 MPa is required to suppress wrinkling when draw bead is used.The blank holder force can be greatly reduced by setting the draw bead.Larger center dis
7、tance of draw bead is more conducive to suppress wrinkling,but it can ag-gravate the wall thickness thinning.Choosing appropriate center distance of draw bead can control and regulate the uniformity of wall thickness while suppressing wrinkling,and the maximum wall thickness thinning rate of the fin
8、al experimental specimen is only 10.4%.Key words:curved shell;deep drawing;wrinkling law;draw bead;numerical simulation 引言金属薄壁曲面件是航天、汽车、能源和船舶等装备的关键结构,如运载火箭燃料贮箱箱底、车身覆盖件、石化储罐封头和船形深腔构件等1-5。随着新一代装备对高可靠、长寿命和轻量化要求的大幅提升,迫切需求采用整体结构代替传统的多块拼焊结构6-7。构件整体化后带来大而薄、大而深等系列复杂特征。该类构件在整体拉深成形时不可避免会承受面内压应力,极易产生失稳起皱缺陷8。解决
9、薄壁曲面件起皱缺陷至关重要。目前,已有多种方法用于避免或抑制失稳起皱。如通过流体压力成形9-10可将导致起皱的压应力改为拉应力,但需要成形材料具有良好的成形性能。当构件材料成形性能良好时,也可以通过设置拉延筋来增加材料流动阻力,间接地增加径向拉应力、降低环向压应力,达到控制起皱的目的11-12,但主要应用于汽车领域的深腔覆盖件成形。球形类薄壁曲面件是一类非常具有代表性的薄壁曲面件,被广泛应用于航天航空及石油化工领域13-14。但是针对球形类薄壁曲面件拉深成形起皱规律的研究仍然较少,一方面是因为材料塑性差,无法研究整个半球形件拉深成形过程中的起皱规律;另一方面是因为在无法整体成形的背景下仍采用了
10、拼焊结构,难以满足新一代装备对整体球类曲面件的需求,因此仍需研究拉延筋与压边力耦合作用下的球形类薄壁曲面件起皱规律。本文采用塑性良好的 ST16 钢板,以直径为200 mm、厚径比为 0.5%的半球件作为研究对象,通过数值模拟和工艺实验研究拉延筋与压边力耦合作用下的薄壁曲面件起皱规律,旨在为薄壁曲面件拉深成形抑制失稳起皱提供指导。1 研究方案1.1 试件及材料研究对象为直径 200 mm、壁厚 1.0 mm 的半球试件,其厚径比为 0.5%,拉深成形时极易发生起皱缺陷,可用于反映球底类薄壁件拉深成形过程中的起皱规律。板料直径为 320 mm。研究材料为ST16 钢板,通过单向拉伸实验测试了其常
11、温力学性能,如表 1 所示。由表可看出,ST16 钢板常温伸长率可达到 46%、加工硬化指数 n 值为 0.27,具有良好的室温成形性,其真实应力-真实应变曲线如图 1所示。表 1 ST16 钢板力学性能Tab.1 Mechanical properties of ST16 steel sheet参数屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa伸长率/%硬化指数 n值149.5377.746.00.271.2 拉深模具结构尺寸图 2 为拉深模具结构及尺寸示意图。拉深试件以凸模定型,凸模直径为 200 mm;凸凹模间隙为1.1 倍板坯壁厚、凹模圆角半径为 10 mm。拉延筋设计为半圆形环筋15,压边圈上设
12、置凸筋,环筋半径为 5 mm、高度为 5 mm;凹模上设置凹槽,两侧过渡圆角为 3 mm、与凸筋匹配间隙为 1.2 mm。1.3 有限元分析方案图 3 为 Abaqus 有限元分析模型。板坯网格单元类型为 S4R 双曲率壳单元,网格尺寸为 2 mm,并图 1 ST16 钢板真实应力-真实应变曲线Fig.1 True stress-true strain curve of ST16 steel sheet图 2 拉深模具结构及尺寸示意图Fig.2 Schematic diagram of deep drawing die structure and size图 3 有限元分析模型Fig.3 Fi
13、nite element analysis model采用缩减积分和默认沙漏控制策略,厚度方向 5 个高斯积分点。模具网格尺寸为 3 mm。考虑到拉延筋结构尺寸相对较小,与板坯接触条件复杂,凸筋与凹槽处网格尺寸为 1 mm。板坯与模具之间设置面对面接触,摩擦因数设置为 0.12。模拟采用动态显式算法,采用稳定时间增量步方法控制积分求解速度,时间增量步长为 1.010-6。利用数值模拟高效精确的特点,系统研究了压边力和拉延筋对起皱规律的影响。首先研究无拉延筋时压边力对起皱行为的影响,压边力分别为 1、2、3 和 4 MPa,如表 2 所示。然后研究拉延筋和压53 第 2 期凡晓波 等:ST16
14、薄壁曲面件拉深成形起皱规律边力耦合作用下的起皱行为,压边力分别设置为0.5、1 和 1.5 MPa;考虑到拉延筋位置会对材料利用率和局部变形产生重要影响,进一步研究拉延筋中心距对起皱行为和变形分布的影响规律,中心距d 设置为 126、131 和 136 mm。表 2 起皱规律数值模拟方案Tab.2 Numerical simulation schemes of wrinkling law对象压边力/MPa拉延筋中心距 d/mm压边力1、2、3、4无-0.5、1、1.5有136中心距1有126、131、1361.4 拉深实验方案在数值模拟的基础上,在典型条件下进行工艺实验,进一步研究压边力与拉延
15、筋耦合作用下的起皱规律,且可验证数值模拟的准确性。图 4 为拉深实验模具,包括压边圈、凹模、凸模和可替换的拉延筋。首先探究无拉延筋时压边力对起皱行为的影响规律,设置为仿真相应级别的压边力,具体方案如表 3 为所示;然后探究拉延筋中心距布置对起皱行为的影响规律,由于过小的中心距对起皱抑制效果较差,所以实验采用中心距 d 为 131 和 136 mm。拉深速度为 2 mms-1。图 4 拉深模具Fig.4 Deep drawing die表 3 起皱规律实验方案Tab.3 Experimental schemes of wrinkling law对象压边力/kN拉延筋中心距 d/mm压边力50、1
16、00、200无-中心距10有131、1362 拉延筋与压边力耦合作用下起皱规律2.1 压边力对起皱行为的影响规律图 5 为未使用拉延筋时不同压边力下拉深试件的环向应力分布规律。从图中可以看出,半球件悬空区环向压应力随压边力的增大而减小。当压边力为 1 和 2 MPa 时,半球件悬空区存在明显的环向压图 5 未使用拉延筋时不同压边力下拉伸试件的环向应力分布(a)1 MPa(b)2 MPa(c)3 MPa(d)4 MPaFig.5 Circumferential stress distribution of tensile specimens with different blank holder forces without draw bead应力集中现象,最大环向压应力分别为 370.0 和348.6 MPa,导致产生明显的起皱缺陷;当压边力增大至 3 MPa 时,悬空区环向压应力降低至 140 200 MPa,仅存在微皱;当压边力增大至 4 MPa 后,悬空区压应力降低至110160 MPa,皱纹才完全消除。图 6 为未使用拉延筋时不同压边力下拉深试件的径向应变分布规律。从图中可以看
