基于ABAQUS的层状金属复合板弯曲性能及试验_李静.pdf

第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun.2023基于 ABAQUS 的层状金属复合板弯曲性能及试验李 静1,樊瑜瑾1,陈 丽2,郑淮河3,吴家喜4,贺存政1(1.昆明理工大学 机电工程学院,云南 昆明 650500;2.湖北三江航天红峰控制有限公司,湖北 孝感 432000;3.昆明昆开专用数控设备有限责任公司,云南 昆明 650106;4.中船重工 750 试验场,云南 昆明 650051)摘要:通过 ABAQUS 有限元仿真软件对复合板弯曲成形过程进行仿真模拟,对比分析了不锈钢/铝合金/不锈钢层状金属复合板和单层金属板的弯曲性能,并采用双线性内聚力模型对界面分层损伤进行了研究。结果表明:不锈钢/铝合金/不锈钢层状金属复合板的弯曲性能具有复杂性,在弯曲成形中每层金属板所受应力不同,应力主要集中在弯曲中心部位,其中,430 不锈钢板承受应力最大,其次为 304 不锈钢板,3003 铝合金板承受应力最小;分层损伤的研究发现,每两层金属板之间均出现了分层损伤现象,并且 304 不锈钢板与 3003 铝合金板层间的分层损伤比 430 不锈钢板与 3003 铝合金板层间的分层损伤更为严重,并通过试验验证了仿真结果的可靠性。关键词:不锈钢;铝合金;层状金属复合板;弯曲性能;分层损伤DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.007中图分类号:TG386 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0042-08Bending property and experiment of laminar metal composite plate based on ABAQUSLi Jing1,Fan Yujin1,Chen Li2,Zheng Huaihe3,Wu Jiaxi4,He Cunzheng1(1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China;2.Hubei Sanjiang Aerospace Hongfeng Control Co.,Ltd.,Xiaogan 432000,China;3.Kunming Kunkai Special CNC Equipment Limited Liability Company,Kunming 650106,China;4.China Shipbuilding Industry Corporation 750 Proving Ground,Kunming 650051,China)Abstract:The bending process of composite plate was simulated by finite element simulation software ABAQUS.Then,the bending prop-erties of stainless steel/aluminum alloy/stainless steel laminar metal composite plate and single-layer metal plate were compared and ana-lyzed,and the interfacial delamination damage was studied by using a bilinear cohesion force model.The results show that the bending properties of stainless steel/aluminum alloy/stainless steel laminar metal composite plate are complex,the stress of each layer for metal plate is different during bending,and the stress is mainly concentrated in the center of bending.The 430 stainless steel plate withstands the greatest stress,followed by the 304 stainless steel plate,and the smallest is the 3003 aluminum alloy plate.The study of delamination damage finds that the delamination damage occurs between every two layers of metal plate,and the delamination damage between the 304 stainless steel plate and the 3003 aluminum alloy plate is more serious than that between the 430 stainless steel plate and the 3003 alumi-num alloy plate.In addition,the reliability of the simulation results is verified by experiments.Key words:stainless steel;aluminum alloy;laminar metal composite plate;bending property;delamination damage收稿日期:2022-08-06;修订日期:2022-11-12作者简介:李 静(1996-),男,硕士研究生E-mail:937700422 通信作者:樊瑜瑾(1962-),男,博士,教授E-mail:fanyujinkmust 不锈钢/铝合金/不锈钢层状金属复合板兼具不锈钢的耐磨、耐腐蚀、高强度和铝合金的高导热性等特点,目前主要用于高端厨具和航空航天等领域1。由于不同材料力学性能存在差异,导致复合板在制备以及后续生产中的加工工艺复杂。因此,学者们对层状复合板的研究大多集中在材料的制备方面,主要包括冶金、固相、连接以及化学结合等方法2-4,而对于如何制备良好的层状金属复合板的研究相对较少。Nan Z 等5采用爆炸焊接方法制备了不同厚度的钢/铝/钢 3 层复合板,分析了结合界面的形态及其形成机理。弯曲成形加工作为一种制造金属产品零部件必不可少的工艺,其特点为:产生较少的加工废料,具有较高的生产效率,并且容易实现机械化和自动化生产。但随着科技的发展,弯曲成形件的质量要求越来越高,且在弯曲成形过程中板材易出现表面损伤、回弹、凹陷、破裂等问题,尤其是金属复合板还会发生分层损伤等缺陷。目前,国内外对层状金属复合板的研究取得了一定的进展,国内学者通过理论分析、有限元仿真以及试验研究等方法对弯曲成形过程及弯曲性能进行了深入研究6-12,国外学者探究了层状金属复合板的拉伸成形、自由弯曲以及分层等行为13-16。Archimede F 等17研究了金属/聚合物/金属夹芯 3层复合材料的力学性能和成形性随试样轴线与轧制方向夹角的变化规律。王晓岗等18基于 ABAQUS 有限元软件,建立了不锈钢/低碳钢/不锈钢层状金属复合板的激光热成形模型,发现不锈钢与低碳钢导热性能的差异有利于弯曲角度的形成。本文结合实际工业生产,采用 ABAQUS 有限元仿真软件对同一轧制工艺不同厚度的不锈钢/铝合金/不锈钢 3 层金属复合板弯曲成形过程进行分析,对不同弯曲角度的力学性能规律进行研究,并通过试验进行验证,对实际的工业生产具有一定的参考价值。1 弯曲成形假设条件由于金属板材在弯曲过程中具有复杂的非线性特点,而层状金属复合板相较于单层板其结构更复杂,每层金属复合板的受力不同,上层板主要受压应力,中间基层板受剪切应力,而下层板主要受拉应力,因此,要基于以下假设对层状金属复合板进行弯曲成形受力分析19:(1)层状金属复合板弯曲时应满足平面应变状态,即复合板在宽度方向上的应变 y=0;(2)层状金属复合板厚度方向上的应力 z在变形区域不为零,在远离变形的区域为零;(3)层状金属复合板的塑性弯曲体积不变;(4)符合 Timoshenko 梁理论;(5)忽略表层金属板材变形的“包申格”效应;(6)当层状金属复合板处于塑性变形阶段时,等效应力和等效应变之间服从幂指数应力、应变关系,即:=Kn(1)式中:为等效应力;为等效应变;K 为强化系数;n 为硬化指数。图 1 为层状金属复合板弯曲示意图。由图 1 可知,金属复合板的弯曲过程主要随着凸模的下行而变化,在下行过程中,金属复合板的弯曲半径和弯曲角度逐渐减小,直至金属复合板与凹模贴合则弯曲过程结束。在初始弯曲过程中,金属复合板处于弹性变形阶段,在凸模下行过程中,当金属复合板内部的弯曲应力达到复合板的屈服极限时,金属复合板便开始发生塑性变形。由于每层金属板的材料不同,弹性模量不同,所以每层板承受的力也不同,这可能会导致应力分布发生突变,从而影响弯曲成形性能。图 1 层状金属复合板弯曲示意图Fig.1 Schematic diagram of bending for laminar metal composite plate 2 有限元模拟2.1 模型参数的建立利用 ABAQUS 有限元仿真软件对不锈钢/铝合金/不锈钢层状金属复合板的弯曲成形过程进行仿真分析,根据实际的弯曲成形过程建立相关模型,该模型主要由凸模、凹模、层状金属复合板 3 部分构成,在不影响弯曲成形模拟结果的前提下,可对各模型进行简化处理,只保留住凹模、凸模与复合板料接触的部分,从而提高计算效率。建立的几何模型与试验所用的试件尺寸规格相同,其中凸模圆角半径为 R5 mm,凹模圆角半径为 R6 mm,凹模跨度为 57 mm。层状金属复合板的有限元模型如图 2 所示,在该模型中金属复合板的长度为 100 mm、宽度为 40 mm,复合板的总厚度为 2.45 mm,层厚比为2 4 1,其中上层的 304 不锈钢板厚度为 0.70 mm,中间基层的 3003 铝合金板厚度为 1.40 mm,下层的430 不锈钢板厚度为 0.35 mm。建模后对模型中的材料属性进行定义,将几何模型参照实际研究对象进行等效化。由于在有限元分析中,凸模和凹模相对于金属复合板的变形可忽略不计,因此,将凸模和凹模的材料属性定义为离34第 6 期李 静等:基于 ABAQUS 的层状金属复合板弯曲性能及试验 图 2 层状金属复合板的有限元模型Fig.2 Finite element model of laminar metal composite plate散刚体。金属复合板需根据实际材料进行定义,此不锈钢/铝合金/不锈钢层状金属复合板是由 3 层 3种不同的金属材料复合而成,将金属复合板定义为幂指数强化模型,每层材料的力学性能参数如表 1所示。再根据实际的弯曲过程进行相应的装配、定义约束和网格划分等。根据弯曲成形特点,本文选取 ABAQUS/Explicit 显示求解算法,为分析界面层的损伤情况,选用双线性内聚力模型开展界面分层破坏模拟研究。表 1 材料的力学性能参数Table 1 Mechanical property parameters of materials材料弹性模量/GPa泊松比密度/(gcm-3)屈服强度/MPa强化系数硬化指数304 不锈钢1930.307.932657900.44430 不锈钢2150.307.802725850.233003 铝合金740.332.751155100.252.2 弯曲成形过程有限元仿真分析图 3 为层状金属复合板弯曲成形过程中的应力分布云图,此时该金属复合板的弯曲角度为实际成形加工中最常用的 90。从图 3 中可以清晰看出每层板的应力分布情况:该金属复合板的应力分布较图 5 正向弯曲 90界面层的 SDEG 分布云图(a)上界面层 1(b)下界面层 1Fig.5 Cloud maps of SDEG distribution of interface layers under forward bending at 90(a)Upper interface layer 1(b)Lower interface layer 1为复杂,应力主要集中在弯曲中心位置,并向两侧延伸到一定的距离,而远离弯曲中心位置的部分基本上无应力。可以发现,下层的 430 不锈钢板所受应力最大,其次为上层的 304 不锈钢板,应力最小的则是中间基层的 3003 铝合金板。应力集中的部分图 3 正向弯曲 90成形应力分布云图Fig.3 Cloud map of forming stress distribution under forward bending at 90最容易发生弯曲变形,如图 4 所示,从图 4 中可以看出,边缘位置发生了较大的不规则变形,从网格的分布可知,上层 304 不锈钢板与中间基层 3003 铝合金板层间发生了较为明显的错位,在弯曲中心位置甚至发生了分层现象,下层 430 不锈钢板与中间基层3003 铝合金板的层间在弯曲中心并未出现分层错位,而是在弯曲部位的两侧发生了轻微错位现象。图 4 正向弯曲 90变形图Fig.4 Deformation diagram under forward bending at 90以双线性内聚力模型作为界面单元模型来分析界面层间的力学行为以及分层损伤情况,采用损伤折减刚度变量 SDEG 来表征界面层在弯曲成形中的损伤和分布情况。当损伤折减刚度变量 SDEG0 时,表示界面层的刚度逐渐衰退,损伤发生;当损伤折减刚度变量 SDEG=1 时,表示界面层的刚度完全衰退到零,界面层失效。图 5 为弯曲成形时界面层的SDEG 分布云图,其中,上层 304 不锈钢板与中间基层 3003 铝合金板之间的界面层为上界面层 1,中44锻压技术 第 48 卷间基层 3003 铝合金板与下层 430 不锈钢板之间的界面层为下界面层 1。从图 5 中可以看出,在 90弯曲时,上界面层 1 的 SDEG 达到了 0.999,该值的变化范围主要集中在整个弯曲部分的中心,下界面层 1的 SDEG 达到了 0.994,变化范围主要集中在弯曲中心线的两侧,由于此时 SDEG 接近于 1,表示该区域界面层的刚度发生严重退化,容易发生分层损伤,且上界面层 1 的损伤程度大于下界面层 1,该结果与弯曲变形结果相一致,说明该层状金属复合板在弯曲成形过程中会出现层间的分层损伤,这种损伤会严重影响弯曲成形质量。2.3 影响因素分析2.3.1 弯曲角度为探究弯曲角度对该层状金属复合板的弯曲成形性能的影响,选取正向弯曲 120和 150进行分析,在所有弯曲条件不变的情况下,改变凸模下行的位置即可得到相应弯曲角度。图 6 为 120和 150弯曲成形时的应力分布云图,从图 6 可以看出,应力主要集中在弯曲的中心位置,且下层的 430 不锈钢板所受应力最大,其次为上层的 304 不锈钢板,最小的是中间基层的 3003 铝合金板,这与 90弯曲时应力的分布相一致。但同一层金属板在不同弯曲角度下所受的最大应力并不相同,不同弯曲角度最大应力分布规律如图 7 所示,由图 7 可知,当弯曲角度从 90到120再到 150变化时,304 不锈钢板和 430 不锈钢板受到的最大应力随着弯曲角度的增大而减小,而 3003铝合金板基本保持不变。图8 是120和150时的弯曲变形图,从图8中发现,在弯曲中心位置的边缘处发生了轻微的变形,但并未发生 90弯曲时的错位和分层等现象。图 6 正向弯曲 120 (a)和 150 (b)成形时的应力分布云图Fig.6 Cloud maps of stress distribution under forward bending at 120 (a)and 150(b)图 7 正向弯曲下不同弯曲角度时的最大应力分布曲线Fig.7 Curves of maximum stress distribution at different bending angles under forward bending 采用损伤折减刚度变量 SDEG 分析 120和 150弯曲时的界面层损伤情况,图 9 为界面层的 SDEG分布云图。由图 9 可知,当弯曲角度为 120 时,上、下界面层 1 的 SDEG 基本上为 0,但边缘位置的SDEG 较大,上界面层 1 的最大值达到 0.735,下界面层 1 的最大值达到 0.642,表示界面层的刚度发生退化并开始出现损伤,损伤位置主要在复合板的边缘位置,由于变化范围太小基本可以忽略不计。图 8 正向弯曲 120 (a)和 150 (b)时的变形图Fig.8 Deformation diagrams under forward bending at 120 (a)and 150(b)当弯曲角度为 150时,上、下界面层 1 的损伤折减刚度变量 SDEG 为 0,表示界面层的刚度还未退化,不会出现分层损伤现象。通过对 SDEG 数值的分析发现,该结果与图 8 中弯曲变形时观测到的现象基本一致,此时界面层并未发生分层损伤现象,说明弯曲角度越小,该层状金属复合板受到的应力越大,导致板与板的层间更容易发生分层损伤,影响弯曲成形加工质量。54第 6 期李 静等:基于 ABAQUS 的层状金属复合板弯曲性能及试验 图 9 正向弯曲下不同弯曲角度时界面层的 SDEG 分布云图(a)120,上界面层 1(b)120,下界面层 1(c)150,上界面层 1(d)150,下界面层 1Fig.9 Cloud maps of SDEG distribution of interface layer at different bending angles under forward bending(a)120,upper interface layer 1(b)120,lower interface layer 1(c)150,upper interface layer 1(d)150,lower interface layer 12.3.2 弯曲方向由于此不锈钢/铝合金/不锈钢层状金属复合板为不同厚度分布,层厚比为 2 4 1,因此,需要考虑不同弯曲方向对弯曲性能的影响。当反向弯曲时,上层变为 430 不锈钢板,中间基层仍为 3003 铝合金板,下层变为304 不锈钢板,层厚比变为1 4 2,其他条件不变,对该金属复合板进行弯曲成形有限元分析。图 10 为反向弯曲 90成形过程中的应力分布云图,从图 10 中可以看出,应力主要集中在弯曲部位中心位置,且上层的 430 不锈钢板所受应力最大,其次为下层的 304 不锈钢板,最小的为中间基层的 3003 铝合金板。同时,应力集中的位置也发生了严重的变形,如图 11 所示,从图 11 所示中网格的分布可以清楚地观察到上层 430 不锈钢板与中间基层 3003 铝合金板在弯曲中心的位置出现了明显分层,下层 304 不锈钢板与中间基层 3003 铝合金板的层间也出现了明显的且较为严重的分层错位,错位的范围较为广泛,从弯曲变形的中心部位一直延展至两侧。用损伤折减刚度变量 SDEG 来分析此时界面层的损伤情况,图 12 为弯曲成形时界面层的 SDEG 分布云图,此时,上层 430 不锈钢板与中间基层 3003铝合金板之间的界面层为上界面层 2,而中间基层3003 铝合金板与下层 304 不锈钢板之间的界面层为下界面层 2。在弯曲成形过程中,上界面层 2 的损图 10 反向弯曲 90成形应力分布云图Fig.10 Cloud map of forming stress distribution under reverse bending at 90图 11 反向弯曲 90变形图Fig.11 Deformation diagram under reverse bending at 90伤折减刚度变量 SDEG 达到 0.998,主要集中在弯曲部位的中心,表示该区域已经发生分层损伤,而下界面层 2 的 SDEG 最大值达到了 1,主要集中在弯曲部位的两侧,此时该区域界面层的刚度完全衰退到零,界面层完全失效,并且下界面层 2 的损伤比上界面层 2 严重。该结果与弯曲变形时观测到的现象基本一致,说明此时该层状金属复合板在弯曲成形过程中也会出现层间的分层损伤。通过对比不同弯曲方向的弯曲成形结果,在相64锻压技术 第 48 卷图 12 反向弯曲 90界面层的 SDEG 分布云图(a)上界面层 2(b)下界面层 2Fig.12 Cloud maps of SDEG distribution of interface layers under reverse bending at 90(a)Upper interface layer 2(b)Lower interface layer 2同的弯曲角度下改变弯曲方向对弯曲性能的影响较小,在不同弯曲方向下,弯曲成形过程中同一层金属板在相同的弯曲角度下所受到的最大应力基本相同,并不会因为层厚比的不同而出现较大的变化,仍然是 430 不锈钢板所受应力最大,其次为 304 不锈钢板,最小的为 3003 铝合金板。在分层损伤研究方面,不同弯曲方向的成形过程中该层状金属复合板的层间均出现了分层,并且 304 不锈钢板与 3003铝合金板层间的损伤比 430 不锈钢板与 3003 铝合金板层间的损伤更为严重。3 试验验证3.1 试验材料的制备及试验设备试验材料选用实际工业生产中的 3 层 304 不锈钢/3003 铝合金/430 不锈钢层状金属复合板,将其按照一定的比例使用激光切割分成若干份金属板,为了保证金属复合板的边缘能够清晰地看到层状结构以及观察到试验现象,用砂纸将切割的金属板边缘进行磨砂,如图 13 所示,该层状金属复合板的长度为 100 mm、宽度为 40 mm、厚度为 2.45 mm,相关材料的力学性能参数见表 1。试验所用的弯曲成形设备为 VHB-150 型 3 工位液压加工机,主要由折弯、冲裁、剪切 3 个工位组成,本试验只涉及折弯工位,如图 14 所示。折弯工位由凸模、凹模、导轨梁、定位装置等组成,适用于厚度小于 10 mm、宽度小于 150 mm 的板料进行折弯,额定工作油压为70 MPa,折弯机所出的力为 150 kN。3.2 试验结果分析将层状金属复合板在室温下进行正向弯曲成形试验,试验结果如图 15 所示,弯曲角度为 90。从图 13 试验用层状金属复合板试件Fig.13 Test piece of laminar metal composite plate图 14 弯曲成形设备的折弯工位Fig.14 Bending station of bending equipment图 15 中很明显地观察到弯曲部位发生了较大的变形分层,上层 304 不锈钢板和中间基层 3003 铝合金板在弯曲中心位置的层间发生了轻微损伤,下层 430不锈钢板和中间基层 3003 铝合金板在弯曲部位的两侧发生了明显的分层损伤,这与仿真结果分析相似,验证了仿真结果的可靠性。再对不同弯曲角度进行相关的试验,试验结果如图 16 所示。由图 16 可知,金属复合板的变形程度随着弯曲角度的变化而变化:当弯曲角度为 150时,金属复合板发生了轻微变形,此时的变形基本74第 6 期李 静等:基于 ABAQUS 的层状金属复合板弯曲性能及试验 图 15 正向弯曲 90的变形试件Fig.15 Deformed test piece under forward bending at 90图 16 正向弯曲下不同弯曲角度的试件Fig.16 Test pieces at different bending angles under forward benging不会影响弯曲性能;当弯曲角度为 120时,在弯曲中心位置发生了明显的变形,此时的变形还未能影响弯曲性能;当弯曲角度为 90时,很明显地能观察到弯曲部位发生了较大的变形分层,这种变形会严重影响材料的弯曲性能。通过试验可以看出,弯曲角度的变化会影响到该层状金属复合板的弯曲性能,弯曲角度越小,该层状金属复合板越容易发生分层损伤缺陷,影响弯曲成形的加工质量。最后进行反向弯曲 90成形试验,试验结果如图 17 所示。反向弯曲 90后在弯曲部位也发生了层间的分层损伤,下层 304 不锈钢板和中间基层 3003铝合金板在弯曲位置出现了较大范围的分层损伤,上层 430 不锈钢板和中间基层 3003 铝合金板的层间出现了轻微的分层损伤,这与仿真结果分析相似。通过对比发现,在不同弯曲方向的情况下,不锈钢/铝合金/不锈钢层状金属复合板的层间均发生了分层损伤,并且 304 不锈钢板与 3003 铝合金板层间损伤比 430 不锈钢板与 3003 铝合金板层间损伤更为严重,这与有限元仿真分析结果一致,说明仿真结果具有可靠性。图 17 反向弯曲 90的变形试件Fig.17 Deformed test piece under reverse bending at 904 结论(1)304 不锈钢/3003 铝合金/430 不锈钢层状金属复合板在弯曲成形过程中的弯曲性能比单层金属板复杂,应力主要集中在弯曲变形的中心位置,其中,430 不锈钢板所受应力最大,其次为 304 不锈钢板,最小的为 3003 铝合金板。(2)界面层的分层损伤分析显示,304 不锈钢/3003 铝合金/430 不锈钢层状金属复合板弯曲成形中发生了较大的不规则变形,并且每两层金属复合板之间均发生了分层损伤现象,其中,304 不锈钢板与 3003 铝合金板层间的分层损伤比 430 不锈钢板与3003 铝合金板层间的分层损伤严重。(3)弯曲角度从 90到 120再到 150变化时,304 不锈钢板和 430 不锈钢板受到的最大应力随着弯曲角度的增大而减小,而 3003 铝合金板基本保持不变。对界面层的分层损伤来说,弯曲角度越小,该层状金属复合板越容易出现分层损伤。(4)弯曲方向对 304 不锈钢/3003 铝合金/430不锈钢层状金属复合板的弯曲成形性能影响较小,在应力分布上,正、反向弯曲中应力分布规律基本一致,均是 430 不锈钢板所受应力最大,其次为304 不锈钢板,最小的为 3003 铝合金板。对界面层的分层损伤来说,在正、反向弯曲中均出现了明显的分层损伤现象,并且 304 不锈钢板与 3003 铝合金板层间的分层损伤均比 430 不锈钢板与 3003 铝合金板层间的分层损伤严重。参考文献:1 徐圣航,周承商,刘咏.金属-金属层状结构复合材料研究进展 J.中国有色金属学报,2019,29(6):1125-1142.Xu S H,Zhou C S,Liu Y.Research progress of metal-metal lay-ered structure composites J.Chinese Journal of Nonferrous Met-84锻压技术 第 48 卷als,2019,29(6):1125-1142.2 高东亮.层状复合板材分切加工断面特性研究 D.广州:广东工业大学,2019.Gao D L.Study on Section Properties of Layered Composite Sheets by Slitting D.Guangzhou:Guangdong University of 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