基于DIC技术的5083铝合金成形极限研究_杨英杰.pdf

第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 3 月Mar.2023基于 DIC 技术的 5083 铝合金成形极限研究杨英杰1,2,史立秋2,3,侯 波2,3,丁明明2,3(1.宁夏大学 机械工程学院,宁夏 银川 750000;2.浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院,浙江 杭州 310000;3.先进水利装备浙江省工程研究中心,浙江省农村水利水电资源配置与调控关键技术重点实验室,浙江 杭州 310000)摘要:5083 铝合金板材的成形极限测定不仅精确度低而且实验过程复杂、成本较高,为了更加准确地得出 5083 铝合金材料的成形极限并降低结果成本,利用数字图像相关法技术和 Nakajima 实验对 5083 铝合金的成形极限进行研究。将 5083 铝合金材料做成不同尺寸的板材以改变其受力状态,并模拟材料实际所受的单向拉伸、平面应变和等双拉 3 种受力状态。利用应变率准则对 5083 铝合金材料的实验数据进行处理,得到实验条件下的 5083 铝合金的成形极限曲线。为方便快捷地预测出 5083 铝合金材料的成形极限,建立了 5083 铝合金成形极限的数学模型,将模型预测结果与实验结果具有很高的重合度,为预测 5083铝合金的成形极限提供了较好的依据。关键词:5083 铝合金;成形极限;数字图像相关法;单向拉伸;平面应变;等双拉DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.03.010中图分类号:TH142.2 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0075-05Research on forming limits on 5083 aluminum alloy based on DIC technology Yang Yingjie1,2,Shi Liqiu2,3,Hou Bo2,3,Ding Mingming2,3(1.School of Mechanical Engineering,Ningxia University,Yinchuan 750000,China;2.School of Mechanical and Automotive Engineering,Zhejiang University of Water Resources and Hydropower,Hangzhou 310000,China;3.Zhejiang Key Laboratory of Key Technologies for Rural Water Conservancy and Hydropower Resource Allocation and Regulation,Advanced Water Conservancy Equipment,Zhejiang Engineering Research Center,Hangzhou 310000,China)Abstract:The forming limit determination of 5083 aluminum alloy sheet is not only low in accuracy but also complicated in the experi-mental process and high in cost.Therefore,in order to obtain the forming limit of 5083 aluminum alloy material more accurately and re-duce the cost of result,the forming limit of 5083 aluminum alloy was investigated by using digital image correlation method technology and Nakajima experiment,and the 5083 aluminum alloy material was made into sheets with different size to change the stress state and simulate the three stress states of unidirectional tension,plane strain and equal double tension that the material suffered practice.Then,the experimental data of 5083 aluminum alloy material were processed by the strain rate criterion to obtain the forming limit curve(FLC)of 5083 aluminum alloy under the experimental conditions.Furthermore,in order to predict the forming limit of 5083 aluminum alloy material conveniently and quickly,a mathematical model of the forming limit for 5083 aluminum alloy was established and the model prediction and experiment results have a high degree of overlap,which provides a good basis for predicting the forming limit of 5083 alumi-num alloy.Key words:5083 aluminum alloy;forming limit;digital image correlation method;unidirectional tension;plane strain;equal double tension收稿日期:2022-05-12;修订日期:2022-08-17基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(LY20E050012);浙江省重大科技计划项目(2020C01062);浙江省重大科技计划项目(2021C03019);浙江省基础公益研究计划项目(LZJWD22E090001)作者简介:杨英杰(1996-),男,硕士研究生E-mail:yangyingjie323 通信作者:史立秋(1978-),女,博士,教授E-mail:jmsdxshiliqiu 铝合金由于具有优良的耐腐蚀性、可成形性、强度等一系列优异的材料属性,越来越多地被用于汽车的轻量化设计中来取代传统的钢板。在金属板料的成形制造过程中,颈缩是最常见的失效现象1,而材料的成形极限反映了颈缩失效极限。不同种类的铝合金材料的成形性差异较大。材料的成形极限曲线的研究通常通过实验、分析和数值模拟3 种方法。其中,实验方法是获得金属板材的成形极限曲线(Forming Limit Curve,FLC)的基本且成熟的方法。目前,国际上主要有两种成形实验,即平面外和平面内拉伸实验。平面外拉伸实验,例如Nakajima 实验 2、Hecker 实验3;平面内拉伸实验,例如 Marciniak 实验4。但是材料的 FLC 在相同实验条件下使用不同准则求得的结果具有明显差异,孰是孰非目前暂无定论,已经成为了当前领域研究的热点问题。2008 年,国际社会制定了统一标准 ISO 12004-2:20085。然而,对于 FLC 的实验测定,除了通常认为的过于模糊的 ISO 12004-2:2008 外,没有准确的标准来检测局部颈缩的开始,并构建更稳定和可复制的 FLC。Zadpoor A A 等6回顾了基于连续塑性的许多理论建模,比较了 4 种不同的颈缩和断裂方法,以预测 2024-T3 高强度铝合金的失效。Zadpoor A A 等7还讨论了厚度应变梯度对延迟颈缩开始的影响。Zhang L 等8模拟了各向异性板料中的局部颈缩。进入 21 世纪,随着科学技术的发展,光学技术和数字成像技术取得了长足的进步,出现了基于数字图像技术的时间判断准则。例如 Merklein M 等9提出了相关系数法,分别是滑行相关系数和平均数与中位数的滑行差异。Situ Q 等10开发了 1 种分析断裂区域某一点处的主应变 1及其第 1 和第 2 时间导数的方法。基于 Eberle B 等11之前的工作,Volk W和 Hora P12提出了破坏区域的截面对厚度应变 3及其厚度应变率的方法。Li J 等13提出使用新的实验/理论方法为 5182-O 铝合金生成了具有中间退火步骤的两阶段成形技术的基于应力的成形极限图。目前,相关学者提出的判断颈缩的准则方法各异,但总体可归为 3 类:(1)基于时间的准则;(2)基于位置的准则;(3)基于时间、位置的准则。本文利用数字图像相关(Digital Image Correla-tion,DIC)技术可以实时观察到板材的应变状态,所以,选用基于时间相关的 T-D 法准则计算 5083 铝合金材料的 FLC。T-D 法与应变率相关,是在 M-K理论上进一步改进得到的方法。得到 5083 铝合金材料的 FLC,并根据实验数据建立其对应的数学模型,对比结果发现模型预测与实验数据吻合较好,对指导生产加工具有重要意义。1 实验1.1 材料与方法本次研究采用厚度为 1 mm 的国产 5083 铝合金薄板作为实验材料。目前,国际上测量板材成形极限的实验方法有很多种,本次实验选择应用更加广泛的 Nakajima 实验进行胀形实验,示意图如图 1 所示,并利用数字图像相关技术进行实验信息的实时图 1 Nakajima 实验原理图Fig.1 Principle diagram of Nakajima experiment采集。实验所用设备由 PMLAB DIC-3D 三维应变测量系统和北京航空航天大学研发的 BCS-30A 板材成形性极限实验机这两套设备共同组成。材料选用长度均为 180 mm、宽度分别为 20、60、100、120 和180 mm 的板材进行实验,分别用于模拟板材单向拉伸、平面应变和等双拉 3 种受力状态。板材采用激光切割的方式进行加工成形,板材的形状和尺寸如图 2 所示。图 2 不同尺寸的 5083 铝合金板材Fig.2 5083 aluminum alloy sheets wiht different sizes1.2 散斑制备散斑制备在 DIC 数据采集中至关重要,常用方法有激光打印、电腐蚀网格法、转印、印刷、油漆或墨水喷涂等。本次实验采用油漆喷涂方法,先喷涂白色底漆,然后喷洒黑色斑点。喷涂要点为按压力和喷涂距离来控制斑点的大小、密度和形状,图3 为喷涂质量较好的斑点以及分析云图。1.3 实验系统准备首先,根据实验实际需求,选定不同尺寸规格的标定板对 PMLAB DIC-3D 三维应变测量采集设备进行标定。其次,设置胀形压边力为 300 kN、冲头速度为 15 mmmin-1。为了实验的准确性,图像采集每秒不得少于 10 帧,本次实验拍摄频率设置为每秒 15 帧。实验过程中板材与冲头之间的摩擦力会影响板材的受力情况,本实验在 ISO 12004-2:20085提供的润滑方式的基础上通过实验摸索进一步改进,使用两层聚氨酯,并在每层聚氨酯上包裹 PTFE 薄膜,薄膜于聚氨酯之间刷油润滑。图 4 为采用新的润滑方法后实验成形的板材,可以看到裂纹均在板材中间。67锻压技术 第 48 卷图 3 质量较好的板材斑点(a)及分析云图(b)Fig.3 Sheet spot with better quality(a)and analysis cloud map(b)图 4