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汽车金属材料本构研究的中国智慧

文章来源:admin 更新时间:2020-11-19

 【轿车资料网】我国轿车工程学会轿车资料分会第22届学术年会,于11月12日-13日,在福州举办。武汉上善参会并做了《金属资料本构模型的理论立异、实验办法及工程使用》的大会陈述,以下是现场演和解PPT全文。

P01:敬重的各位领导、各位专家,咱们下午好!十分感谢我国轿车工程学会资料分会,给我的宝贵时机,期望能够给咱们带来一场全新的内容领会。我今日陈述的标题是《金属资料本构模型的理论立异、实验办法及工程使用》,并添加了一个副标题:《金属资料本构研讨的我国才智》。

P02:首要,介绍一下研讨布景,首要阐明当时深陷的两大窘境。

P03:榜首个是理论窘境,即资料模型的界说,或许存在逻辑上的不自洽。在仿真模型中,资料本构一般被分解成若干部分,它们彼此之间是彼此独立的,且存在各自的理论假定,因而,或许呈现自相矛盾的状况。

比方,在冲压仿真模型中,代表资料各向同性的等效应力应变曲线,与代表资料各向异性的Hill48屈从准则,两者是相抵触的。相同,在磕碰仿真模型中,若界说了代表资料各向同性的等效应力应变曲线,则依照Mises准则,开裂应变与应力应变状况无关,而实验成果标明:开裂应变与应力三轴度是相关的,若一起又界说了GISSMO失效模型,则会导致理论与实验相抵触。

P04:第二个是技能窘境,即先进高强钢(AHSS)边际失效和部分开裂的工程难题。比方,来自两家钢厂的DP980,依照通用轿车本身的资料测验规范,在B柱本体的零件冲压中,发生开裂的资料,其力学功能反而要优于没有发生开裂的资料,这明显是荒唐的,其底子原因是:传统的单轴拉伸测验规范不能评价资料的部分变形。

到现在为止,AHSS的成形问题,依然是一个世界性难题,还没有公认的、老练的技能处理方案。

P05:面临以上理论窘境和技能窘境,全世界有许多的学者和技能专家展开了相关的理论和工程使用研讨。经过系统的文献剖析,同享两点领会:榜首,“塑性工程研讨范畴”长时间处于百家争鸣的“春秋战国”时期,还看不到“秦一致天下”的趋势;第二,有极少数人现已摸到了理论立异的大门,但没有人能够破门而入。

在此特别提一下,K. Minato这位日本学者,在1925年就现已完好的指出了金属资料本构所包含的中心参数,并与我对单轴拉伸的立异思路是共同的,只可惜,其观念逾越了其年代。而咱们是走运的,所在的年代,有完成实验的测验技能、有实在的工程需求、有触手可及的互联网,稀缺的仅仅立异的主意。

P06:与西方学者不同,面临两大窘境,我的研讨定论是:只需根据我国才智的理论立异才干翻开这扇大门。为了突显对我国文明的自傲,添加了一个副标题,明显不是为了添加一个噱头,而是要深化的论述:我国的传统思想文明是能够与现代科学研讨,以毫无违和感的办法,完成无缝对接的。

P07:我国才智的典型特征是:习惯于一致性、大局性、全体性的思想视角,在必定程度上是排挤部分视角的。东方的思想形式,会将资料“本构”理解为“道”,“单轴拉伸”便是“道生一”的成果;“二”即“阴阳”,有“单轴拉伸”必有“单轴紧缩”,即“终身二”;“阴阳相生”,“T-C加载”发生“包申格曲线”,即“二生三”;最终,经过系统整合,呈现出“三生万物”的资料多样性。

东方的“全体性思想”没有发生科学,而西方的思想形式,更注重“部分性思想”,发生了科学。“部分性思想”会将资料本构当作“一张A4纸”,将其“撕成三个独立的部分”别离进行研讨,这是有其合理性一面的,可是,将这三部分简略的拼回去,一不小心就会堕入理论窘境。绝不是想去否定西方的研讨办法,相反,咱们的理论研讨就树立在“西方常识结构”的根底之上。

“螳螂捕蝉,黄雀在后”,我国才智便是那只“黄雀”,资料本构研讨的“最终一公里”,即“摘桃子”这件作业,还有必要依赖于我国才智。

P08:下面将别离介绍资料本构研讨,至少需求触及的三个方面,先介绍新硬化模型,其本质是线性加载条件下的本构联络。

P09:众所周知,我国才智蕴藏着深化的辩证法思想。以新单轴拉伸理论为例,一方面,“大道至简”,在形式上,单轴拉伸是最挨近于“道”的表现形式,是最简略的研讨方针; 另一方面,“道可道,十分道”,在内容上,“道”是不行言说,正因为单轴拉伸又最挨近于“道”,天然具有最深化的内容。因而,“形式上简略、内容上深化”的单轴拉伸,才是资料本构研讨,要深化调查的方针。

但是,或忽视、或质疑、或不屑,对单轴拉伸进行研讨,好像又是学术界和工程界的一个“无一致的一致”,或者说,“集体无意识”。因而,凭仗对我国传统思想和文明的领会,让我坚持对新单轴拉伸展开了超越十年的根底研讨。

首要作业是将工程问题转化为科学问题,也便是力学问题;深化研讨,发现是一个数学问题(一切应力或应变的界说在数学上是能够一致的);持续深化,发现是一个哲学问题(底子不存在“解析解”,所谓的“解析解”本质上也是“离散解”),为了寻求答案,转而花了近两年时间去研读康德的《纯粹理性批判》,总算构成了一套关于单轴拉伸的紧密且完好的理论结构,其间,理论与实验的迭代次数就超越了五轮。

“学术界”注重理论深度,是需求“联合的方针”,建议资料本构研讨也要“中西结合”,“大局视角”与“部分视角”要自在切换。“部分性思想”是“形”,“大局性思想”是“神”,“形神”要合一,不能“同床异梦”。“工程界”注重使用效果,是需求“服务的方针”,简略的说,“好不好,看效果”。下面剖析按柯西应力界说的第四组和按实在应力界说的第二组。

P10:直接上实验成果。第四组和第二组中的每条曲线,都有或许代表资料的本构联络,但资料本构联络是仅有的,跟标距无关。两组曲线的优缺点刚好相反,将两组曲线叠加,发现只需在1mm标距下,两条曲线是根本重合的,即两组曲线的长处兼而有之,这正是想要的成果。因而,确认依照传统核算办法,在1mm标距下的曲线,作为全进程应力应变曲线。而任意外推硬化曲线,均与第四组中非1mm标距的“某曲线”重合,比方安塞乐米塔尔的DP780的SV外推硬化曲线与其5mm标距曲线是彻底重合的,因而,直接证明了一切外推曲线都是不合理的本构联络。

P11:根据对“道”与“本构”在概念上的相通性,逐步构成了一个观念:第二代&第三代钢、热成形钢等先进高强钢,与传统的轿车用钢,在资料本构层面不该该有什么差异,以为轿车用钢的本构是一致的,是资料本构里边的表征参数,导致了资料力学功能的明显差异。

走运的是,凭借中信金属赞助的轿车车身正向选材项目,测验了超越30种轿车用钢,提炼出了全进程硬化模型,该模型具有十分强的普适性,分为两段:均匀颈缩段,资料存在安排结构的改变,合适Power Law准则描绘;部分颈缩段,资料无安排结构改变,合适线性准则描绘。

P12:资料本构研讨的第二个方面,新包申格效应,其本质对错线性加载条件下的本构联络,即塑性变形的加载途径相关性。

P13:一开始,我的方针是想要彻底否定包申格效应,而且在哲学上和逻辑进步行了充沛的证明。走运的是,被马(鸣图)教师给拉上了岸,供认了包申格效应的客观实在性,因而,退一步提出了新包申格效应。

新旧不如说对错干流与干流的差异,在文献中都能够找到相关的实验成果。前者以卸载状况为参阅构型处理实验数据,后者以初始状况为参阅构型。我坚决支撑以卸载状况为参阅构型,因为选用初始状况会导致四个逻辑悖论。

P14:只需供认包申格效应,就能够从逻辑上做出三点推论:榜首,金属资料的拉压力学功能只存在三种或许性:要么拉伸强于紧缩,要么拉压对称,要么紧缩强于拉伸,且均不相交,没有第四种状况,拉压曲线相交是过错的数据处理导致的假象;第二,在T-C或C-T加载下,包申格曲线只或许坐落拉压曲线之间,假如拉压曲线重合,则不存在包申格效应;第三,疲惫加载前后的资料,将由拉压非对称趋向于拉压对称;只需资料存在包申格效应,资料就必定是拉压非对称的,一般来说,金属资料都是具有包申格效应的。明显,以上观念跟力学教科书中对包申格效应的描绘是不相同的。

P15:包申格效应之所以重要,在于它是衔接资料细观结构与微观力学功能的桥梁,“三者之间存在数学上可描绘的逻辑联络”,这也是许多学者想要完成的研讨方针。假如微观层面的资料本构研讨,不能构成科学的知道,那么资料微观层面的机理研讨,很或许将“猜测”误以为“发现”。

经过整理文献的实验成果,构成了一个开始的猜测:关于带状晶粒安排:比方,DP780, 其在TD和RD方向具有相反的拉压力学功能;关于均匀晶粒安排:比方,DP980,在TD和RD方向具有相同的拉压力学功能。从沿晶界微裂纹视点,对两者的力学功能差异,是能够给出直观的解说的,一起,从资料本构视点,从头解说了均匀化晶粒安排的重要性。

P16:资料本构研讨的第三个方面,新成形极限图,其本质是根据应变空间的资料失效模型。

P17:咱们从理论上定量给出了主应变和次应变的数学表达式,制作出的成形极限图是一个规范的椭圆,椭圆上的每个点的应变途径不同,但等效塑性应变是相同的,称之为等效塑性应变成形极限图(EPS-FLD),也有许多文献给出了定性的成果,但没有引起西方学者的注重。其间,赤色椭圆是均匀成形极限;蓝色椭圆是开裂成形极限。

这儿给出一个理论观念:轿车用钢作为耐性金属,具有明显的流变特性,在单轴紧缩状况下,资料是不会开裂的,不然,就不会有太钢的“手撕钢”了,因而,使用“资料拉压非对称性”可解说“开裂应变为什么跟应力三轴度是相关的”。此外,在冲压中,零件处于剪切状况,并不遍及,因而,成形极限图只需注重“拉伸区”。

P18:选用EPS-FLD能够简略而直观的评价资料的成形才干。Zone1区域标明均匀成形才干,面积越大,Global Formability功能越好,比方,DP780的全体成形才干要强于DP980;Zone2区域标明部分成形才干,面积越大,Local Formability功能越好,比方,DP980的扩孔功能要优于DP780。

“EPS-FLD”与传统的“V-FLD”,对两者差异的合理解说:是东西方两种不同思想办法导致的成果,EPS-FLD 表现了“大局视角”与“部分视角”的一致、理论与实验的一致。

P19:关于AHSS,更简略呈现边际失效和部分开裂的问题,要完成冲压仿真模仿,需求选用带损害的EPS-FLD,因而,提出选用边际损害系数来批改EPS-FLD。边际损害系数可经过传统的扩孔实验和新单轴拉伸DIC实验测定。零件边际损害的中心问题是要树立关于不同条件下的零件边际损害数据库。在实践使用中,便是从数据库中寻觅满意成形要求的、且本钱最低的切边工艺。

在此,从“资料本构视点”和“大局性思想视角”,需求赋予传统扩孔实验以簇新的内容,“均匀延伸率决议了扩孔高度,总延伸率和损害系数决议了扩孔率”,然后,可树立起资料的本构参量与微观参量之间的数学联络。

简略总结一下理论部分:在西方已有的研讨结构下,引进我国才智研讨资料本构,确保了“拼回去的本构联络”,更挨近于物理含义上的本构联络,与西方思想形式不同,相同是一张A4纸,仅仅折了两下,而不是扯开。

P20:第三部分,介绍一下新的实验办法。意图是将资料力学功能和成形功能的八项评价实验,精简为三项新实验:新扩孔实验、新单轴拉伸实验和新单轴紧缩实验,前面现已介绍了扩孔实验,下面介绍后两项。

P21:榜首,新单轴拉伸实验。因为要测定1mm标距,因而,有必要要用到DIC(数值图画相关法,非触摸丈量技能之一)测验技能。在新单轴拉伸DIC实验中,一方面,DIC实践上是代替了引伸计的效果;另一方面,需求严厉区别资料失效和试件开裂,比方,时间570的状况代表资料现已失效,时间600的状况标明试件现已开裂,资料本构研讨只关怀资料失效,不注重试件开裂,两者的联络注定了数学描绘的本构只能是对物理本构的无限挨近。

P22:新单轴拉伸DIC实验集成了六项实验方针, 包含全进程应力应变曲线、根据应力空间的Mises屈从面、根据应变空间的EPS-FLD、标距效应曲线、n值和r值曲线。前三项构成了一个逻辑自洽的冲压仿真资料模型;左面两项构成了一个逻辑自洽的磕碰仿真资料失效模型,然后,化解了理论窘境。一起,以n值和r值的丈量为例,新办法与宝钢EVI手册发布的成果进行了比照,两组数据全体上是挨近的。

重新实验办法的归纳效果剖析,西方现有的相关资料测验规范,是能够被“新单轴拉伸规范”所替代的。咱们乐意与国内钢铁、轿车职业同享技能,充沛发挥职业协作的全体优势,打一场“规范反击战”。

从更深层剖析:“新单轴拉伸规范”实践上是对西方技能规范的应战,技能规范的拟定和输出,外表上是一个技能话语权问题,其底层逻辑是思想和文明的磕碰。西方的资料测验规范是树立在“部分性思想形式”根底上的,而“新单轴拉伸规范”是树立在“全体性思想形式”根底上的,一个杂乱低效,一个简略高效,因而,两者的抵触和对立将是必定的。

P23:第二,新单轴紧缩实验。“大变形单轴紧缩”是一个世界性难题,其难点在于有必要一起处理七个技能问题,缺一不行。新单轴紧缩,外表上看是一个技能问题,其实也是一个思想办法问题。从文献剖析西方学者的研讨作业,一方面,西方学者在单轴紧缩夹具规划上的想象力的确是值得敬仰的;另一方面,等待西方学者能够搞定“大变形单轴紧缩”是不实际的。

只需根据夹持设备-试样-拉压机的一体化规划理念才干搞定这一世界性难题,且能一起完成:薄板疲惫加载实验(大吨位的疲惫实验机也能够直接做薄板的疲惫实验,完成与小吨位不带夹具的相同实验效果)、包申格加载或T-C加载实验和全进程加载实验。这又是典型的我国才智,表现了“天人合一”的思想传统,对我国人思想办法的一种耳濡目染的影响,因而,新单轴紧缩将是最具原创性的根底技能规范。

P24:以双相钢为例,资料拉压条件下的r值是不同的,标明资料是拉压非对称的;DP590的紧缩实在应变抵达了0.367;DP780是0.268;DP980是0.353。查阅西方学者的文献,最大紧缩量也只抵达10%,但西方学者的研讨的确让咱们少走了许多弯路,能够直奔方针而去。事实上,做出这些实验成果,其实也是很不简略的,成功实验的背面都是许多失利实验的迭代成果。

P25:借这次会议的时机,根据咱们的理论立异和实验办法,发布四个原创性的实验验证协作方案。榜首个是:《疲惫加载对力学功能和晶粒安排的影响》;第二个是:《包申格曲线》;第三个是:《晶粒安排和拉压力学功能的内涵一致性》;第四个是:《热成形资料开裂应变的理论研讨》。协作方担任取样和实验,武汉上善担任供给单轴紧缩夹具、实验办法、数据处理等。欢迎有爱好的钢厂、铝厂、主机厂、高校等与我联络,咱们将与协作伙伴同享理论立异的研讨成果。

P26:第四部分,工程使用。没有来自底层力学理论的立异,要处理“塑性工程”中的难题,会遇到许多,或理论、或逻辑、或办法上的困难或问题。下面将介绍:在新单轴拉伸理论根底上,怎么运用前面使用层的理论立异和高度集成的实验办法,以低本钱、简略而高效的办法,处理工程上的五个痛点问题。

P27:榜首个需求处理的痛点问题是:轿车磕碰仿真资料失效模仿。咱们的根底研讨标明:资料本构模型也是树立在有限元思想根底之上的,意味着理论与仿真的距离被打破了,表现在工程使用上,即资料本构模型中的标距效应与有限元模型中的网格尺度效应,具有一一对应联络。

比方,在整车磕碰模型中,B柱本体的网格尺度是8mm,设定8mm标距对应的失效应变是0.08,仿真成果没有呈现B柱失效,与实践磕碰符合。在VDA极限冷弯模型中,选用的网格尺度是0.5mm,设定0.5mm标距对应的失效应变是0.251,将仿真成果代入等效开裂应变的VDA理论公式,核算成果是0.254,仿真模型的输入与输出差错仅为1.2%。以上两个事例阐明,选用新单轴拉伸DIC实验,测定的热成形资料本构参数,在逻辑上是自洽的。

P28:关于等效开裂应变的VDA理论公式,是马教师和我的协作研讨成果。马教师的判别是资料开裂应变理论上跟厚度无关,是资料的本征参量,而极限冷弯角又跟厚度相关,因而,需求理论上的解说。经过屡次研讨讨论,将理论公式中的厚度成功消除,而且得到了仿真成果的验证。在此,对马教师“探究不止”的科研精力深表敬意。

在整个研讨的过程中,意外发现了两点与传统理论假定截然相反的定论:榜首,中性层向外侧移动;第二,资料拉压非对称。

P29:以上两点,其实是很简略得到文献证明的,比方,试样曲折变形后,紧缩区的高度,明显大于拉伸区的高度。根据此两点定论,能够在理论上精细化的解说AHSS的零件回弹问题,并进一步提出了“回弹对冲规划准则”,包含倒角对冲、面内对冲和零件对冲,结合“回弹补偿经历办法”,关于零件回弹的处理方案,都能够用这两点来解说,反过来,灵活运用这两点,可拟定出处理零件回弹的技能处理方案。这是第二个要处理的痛点问题。

P30:第三个要处理的痛点问题是:零件的边际开裂。批改的EPS-FLD,其物理含义是:零件的边际损害不影响资料的开裂应变,但会影响资料的应变途径。比方,含铌的资料,无边际损害,资料要抵达B点才失效,而带边际损害的,抵达Q点后直接沿QC途径抵达C点失效,即赤色区域将从EPS-FLD中删去,相同,不含铌的资料,带边际损害,抵达P点后直接沿PD途径抵达D点失效,相同,赤色区域删去。

QC和PD途径的物理含义是:只需极小的外载荷,即可抵达资料失效点,也就意味着,零件边际的变薄率将明显下降。因而,关于含铌和不含铌的同一资料商标,批改的EPS-FLD将表现出较大的成形功能差异,然后,成功的将铌的效果,引进到资料本构模型的描绘傍边。

P31:第四个要处理的痛点问题是:零件的部分开裂。现在,仿真软件只能发现部分开裂的危险点,无法对其进行完好的模仿。新思路是:将部分开裂问题,转化为边际开裂问题进行处理。简略的说,在部分开裂之前,选用无损害的EPS-FLD;在部分开裂之后,零件会发生自在边,沿自在边区域,则需求匹配带损害的EPS-FLD。

P32:第五个要处理的痛点问题是:零件的外表损害。以热成形钢Al-Si镀层为例,实际的窘境是拉伸与曲折差异太大,阐明传统的测验规范不完善。新思路是:将镀层问题,转化为零件外表损害问题进行处理。镀层改变了零件的外表质量,不同的镀层,发生的微裂纹程度不相同,更多更深的微裂纹只需更小的能量就能使基体资料抵达失效应变。

选用新单轴拉伸DIC实验、极限冷弯实验及开裂应变VDA理论公式,并引进外表损害系数,零件外表损害相同是能够定量评价的,与扩孔实验相同,VDA极限冷弯实验也将被赋予簇新的内容(继前三项新实验后,成为第四项必要实验)。

最终两个工程问题的处理方案,明显是我国才智中“求同存异”思想的一种表现,看似不同的问题被当成同一个问题进行处理。

P33:这是咱们的一个愿景:重新资料研讨、开发与使用的各个环节看整个技能生态系统的话,触及钢铁厂、主机厂、学术研讨机构及铌-钒、DIC技能和仿真软件等供货商,彼此之间的衔接,或强或弱。咱们期望经过咱们的根底研讨,树立一个彼此之间均是强衔接的生态闭环系统,然后,更高效的完成各自的技能价值和商业价值。

P34:总结一下,毛主席说:“帝国主义都是纸老虎”,“战术上要注重,战略上要轻视”;孙子说“知己知彼,百战不殆”。植根于两千多年的我国传统思想和文明,在资料本构研讨这件小事上,咱们是专心的、仔细的,并笃定的以为“用我国才智吃定了西方学术研讨的短板”。

客观上讲,西方人要进入我国文明系统太难,相反,我国人进入西方的文明系统则相对简略。科学尽管没有在我国文明的土壤中诞生,但我国才智必将西方科技面向新的开展高度,攫取最有价值的“果实”。

因而,在现在和未来的科技竞赛中,我国将具有天然的文明自傲和思想优势,一起,也要清醒意识到:西方和东方在各种层面上,发生抵触也将是必定的。而咱们所做的根底研讨作业,将会在这种大布景下,凭借多职业共同努力,或许会成为“东西方文明抵触”中的一个缩影。

P35:有爱好的可注重、加微信,获取PDF版别。

P36:最终,感谢各位专家的耐性倾听,欢迎批评指正,谢谢!

以上为讲演的文字部分,以下为陈述的PPT内容。

来历:环状结构与资料本构

 

 
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