GH3536合金板材复杂曲面冲压回弹预测_英焕岩.pdf

第 30 卷 第 3 期2023 年 3 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.3Mar.2023引文格式:英焕岩,刘厚吉,吴宏超,等.GH3536 合金板材复杂曲面冲压回弹预测 J.塑性工程学报,2023,30(3):24-30.YING Hua-nyan,LIU Houji,WU Hongchao,et al.Springback prediction of stamping GH3536 alloy sheet with complex surface J.Journal of Plasticity Engineer-ing,2023,30(3):24-30.基金项目:国家自然科学基金资助项目(52175349)通信作者:韩先洪,男,1977 年生,博士,教授,主要从事先进板材的塑性成形技术研究,E-mail:hanxh 第一作者:英焕岩,男,1996 年生,硕士研究生,主要从事金属板料冲压成形研究,E-mail:sjtuyhy2019 收稿日期:2022-05-12;修订日期:2023-01-09GH3536 合金板材复杂曲面冲压回弹预测英焕岩1,刘厚吉1,吴宏超2,姚世传2,韩先洪1(1.上海交通大学 材料科学与工程学院 塑性成形技术与装备研究院,上海 200030;2.杭州汽轮机股份有限公司 先进动力研究院,浙江 杭州 310022)摘 要:研究了 GH3536 合金板材复杂型面的冲压回弹预测问题。基于 LS-DYNA 有限元模拟软件以及优化软件 LS-OPT,建立了一种适用于 Y-U 硬化模型和 Chaboche 硬化模型的参数拟合方法,并拟合了上述模型的待定参数。通过对比材料模型对循环剪切应力-应变曲线的力学响应和回弹预测,并与实验数据进行对比分析,确定了最适合 GH3536 合金板材复杂曲面冲压回弹预测的材料模型。结果表明,Hill48 屈服准则搭配 Y-U 硬化模型不仅能够很好地描述 GH3536 合金板材反向加载时的瞬时包辛格效应和相关硬化特性,从而实现对循环剪切应力-应变曲线的高精度力学响应,还可以准确地预测 GH3536 合金板材复杂型面的回弹。关键词:GH3536 合金板材;冲压成形;材料模型;回弹预测中图分类号:TG386.3 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)03-0024-07doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.03.004Springback prediction of stamping GH3536 alloy sheet with complex surfaceYING Huan-yan1,LIU Hou-ji1,WU Hong-chao2,YAO Shi-chuan2,HAN Xian-hong1(1.Institute of Plastic Forming Technology and Equipment,School of Material Science and Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200030,China;2.Advanced Power Machinery Academy,Hangzhou Steam Turbine Co.,Ltd.,Hangzhou 310022,China)Abstract:The stamping springback prediction of the complex surface of GH3536 alloy sheet was studied.Based on LS-DYNA finite ele-ment simulation software and optimization software LS-OPT,a parameter fitting method suitable for Y-U hardening model and Chaboche hardening model was established,and the undetermined parameters of the above material models were fitted.According to the comparison of the mechanical response of cyclic shear stress-strain curve of material model and springback prediction and experimental data,the most suitable material model for the springback prediction of stamping GH3536 alloy sheet with complex surface was determined.The results show that Hill48 yield criterion combined with Y-U hardening model can not only well describe the instantaneous Bauschinger effect and related harding characteristics during reverse loading to achieve high precision mechanical response of cyclic stress-strain curves,but also accurately predict the springback of the complex surface of GH3536 alloy sheet.Key words:GH3536 alloy sheet;stamping forming;material model;springback prediction 引言高温合金具备良好的组织稳定性和使用可靠性,在较高温度下能保持较高的强度、良好的抗氧化性、抗腐蚀性能和疲劳韧性等综合性能1,被广泛应用在航空、航天和能源等领域2,例如燃气轮机、航空发动机的换热器、喷火桶和静叶片导流管等薄壁结构件,这些零件一般型面复杂、功能重要且精度要求高3。但高温合金因其强度较高,通常在冲压后回弹较大,这就使得零件精度较差,从而影响使用性能。研究表明,材料模型的选择对回弹计算有着重要的影响。ZOU D Q 等4基于循环拉压和循环剪切的实验数据拟合了 QP980 和 DP980 的 Y-U 模型参数,并对比了 Y-U 模型和各向同性硬化模型的回弹预测精度,验证了循环拉压及剪切实验数据对拟合 Y-U 模型参数的有效性;王彦菊等5基于循环剪切实验数据研究了 ANK 模型、A-F 模型和 Y-U 模型对板料厚度分别为 0.30、0.25 及 0.18 和 0.20 mm 的GH536、GH738 以及 GH4169 等高温合金薄板循环塑性变形响应的表征效果,同时将 U 弯实验和有限元仿真进行对比,证明 Y-U 模型回弹预测效果最佳;HE W L 等6探究了晶粒尺寸对高温合金板材循环变形行为和回弹的影响,分别采用 Chaboche 模型、ANK 模型和 Y-U 模型拟合实验材料的剪切应力-应变曲线,结果表明,Y-U 模型是预测回弹的有效模型。然而关于不同模型对复杂型面冲压回弹预测的研究还比较少。本文针对燃气轮机静叶片导流管类零件,以GH3536 合金板材为研究对象,探究 4 种材料模型对循环剪切应力-应变曲线的力学响应效果,利用LS-DYNA 模拟软件进行特殊曲面的冲压和回弹模拟,比较不同模型的回弹预测误差。1 材料性能及冲压成形实验1.1 实验材料性能本文所用的材料为 GH3536 镍基高温合金板材,厚度为 0.5 mm。在 0、45与 90方向上切割试样,标距段尺寸为 50 mm12.5 mm,试样总长为 160 mm,每个方向切割 3 组,进行重复实验。利用 Zwick 拉伸试验机进行单向拉伸实验,为保证拉伸实验在准静态下进行,拉伸应变速率设置为 0.01 s-1。实验测得的3 个方向上的单向拉伸应力-应变曲线如图1 所示。由于本文所使用的材料没有明显的屈服平台,因此取 0.2%的塑性应变对应的应力值作为屈服应力,根据塑性变形体积不变假设计算塑性应变比 r值7,拉伸力学性能数据汇总至表 1。先进的材料硬化模型通常需要适当的实验装置及方法来准确地拟合其参数。目前,适用范围较为广泛的两种面内循环载荷实验为面内循环拉压实验和面内循环剪切实验。对于面内循环拉压实验,正向及反向应变大小取决于材料正向加载时的颈缩图 1 GH3536 合金单轴拉伸应力-应变曲线Fig.1 Uniaxial tension stress-strain curves of GH3536 alloy表 1 GH3536 板材不同方向材料力学性能参数Tab.1 Material mechanical property parameters of GH3536 sheet in different directions试样取向/()屈服应力/MPa塑性应变比 r0367.241.06145360.481.29990364.350.898以及反向加载时厚向失稳屈曲,本文使用的材料厚度较小,在反向加载时,很小的应变就会导致厚向失稳屈曲,造成数据失真。为了获取更大范围的应变,从而能够更精确地拟合材料模型参数,本文采用循环剪切的变形方式来获取 GH3536 板材的循环载荷实验曲线。本文的循环剪切实验在 INSTRON 电子万能试验机以及专用的循环剪切实验模具上进行,借助三维应变光学测量系统 ARIMIS 采集标距段尺寸变化。在实验时,实验模具的右半部分固定,实验模具的左半部分在实验机的带动下可以上下往复运动,使得试样中心产生切应变,剪切变形方向与轧制方向平行。该实验的两部分模具通过 8 个 M6 螺栓及 4个垫片与板料固定。循环剪切实验试样形状根据MIYAUCHI K8和 GSELL C 等9的研究以及模具形状进行设计,本文实验用的循环剪切试样形状及尺寸如图 2 所示。在变形过程中由于夹紧力的作用,循环剪切变形区域的高度 h 和宽度 w 保持不变,因此试样变形区剪应力按照式(1)计算。=Fht(1)式中:为剪应力;F 为剪切区载荷,由拉伸试验52 第 3 期英焕岩 等:GH3536 合金板材复杂曲面冲压回弹预测图 2 循环剪切试样Fig.2 Cyclic shearing sample机获取;h 和 t 分别为剪切区域的高度和厚度。在剪切循环实验过程中,试样受压时板料增厚,受拉时板料减薄,试样受拉减薄部分所受夹紧力变小,这导致试样在实验时发生滑动,这部分滑动能在一定程度上防止试样的边缘拉裂和起皱,但这也导致试样的位移分为有效位移 L 和滑动位移 Le,而试样的切应变应该由有效位移 L 来计算,拉伸机给出的位移是总位移 Lm。因此,使用 DIC 数据采集系统来获取剪切区域的有效位移 L,由有效位移计算出真实剪切应变。=L2w(2)式中:w 为试样剪切区宽度。将计算后的应变-时间曲线与拉伸实验机得到的应力-时间曲线通过时间插值的方法绘制成该材料的循环剪切应力-应变曲线,如图 3 所示。图 3 循环剪切应力-应变曲线Fig.3 Cyclic shearing stress-strain curve1.2 冲压成形实验本文设计了用于变截面、变曲率空间复杂曲面件成形的导流管坯料,如图 4 所示,具体尺寸:Lw=140 mm、La=48.68 mm、Lb=71.46 mm。图 4 零件坯料Fig.4 Part blank利用专用成形模具以及伺服压机 H1F200-11 开展冲压成形实验,模具冲压速度 500 mms-1,在接触板料前压机自动减速,使用手持式三维扫描仪对成形