涉及应变速率与温升效应的先进高强度钢辊式冷弯成形断裂预测研究

The demand for lightweight of automobile promotes advanced high strength steel becomes the mainstream of automobile steels. However, it is difficult to form and forming defects frequently appeared. Cold roll forming possess a great advantage in forming slender parts made of advanced high strength steel, in which fracture is a serious problem. In consideration of special mechanism of fracture of advanced high strength steel and the necessity of considering strain rate and temperature effect which caused by deformation heat and friction heat in the fracture prediction, this research will establish constitutive model coupling strain rate and temperature, and explore fracture mechanism of forming advanced high strength steel from the point of view of macro and micro separately. Then it will present the ductile fracture criterion of advanced high strength steel which consider of strain rate and temperature effect in roll forming. Instead of limitations of quasistatic and ignoring temperature effect, it realizes fracture prediction which closer to real state. Moreover, it will establish high-accuracy finite element calculation platform based on new ductile fracture criterion. The expected results will lay foundations for driving our country's advanced high strength steel roll forming into high-precision manufacturing, and its research methods could be introduced to defect prediction and optimization in other plastic forming process. It is significant for the development of roll forming technology and fracture prediction in plastic forming.

汽车轻量化的需求使先进高强度钢成为汽车用钢的主流，然而其成形加工难度较大，成形缺陷频频出现。辊式冷弯成形在先进高强度钢细长类零件的成形方面具有极大优势，但该工艺中的断裂成为重大问题。鉴于先进高强度钢断裂的特殊机理及辊弯断裂考虑应变速率和温升效应（由变形热和摩擦热引起）的必要性，本研究拟建立耦合应变速率和温度的本构模型，分别从宏观与微观的角度探索先进高强度钢辊弯成形的断裂机理，进而提出先进高强度钢辊弯成形中考虑应变速率和温升效应的韧性断裂准则，突破准静态、忽略温升效应的假设的理论局限，实现基于材料更真实断裂行为的断裂预测，进一步建立基于所提出韧性断裂准则的热力耦合高精度有限元计算平台。预期成果将为我国先进高强度钢辊弯成形技术迈向高端精密制造水平打下坚实的基础，其研究方法可推广至其他塑性成形中的断裂缺陷预测和成形工艺优化，对辊弯成形工艺的发展及塑性加工中的断裂缺陷预测具有重要的科学意义。

汽车轻量化需求使先进高强度钢成为汽车用钢的主流,因具有极大的减重潜力在汽车行业中得到日益广泛的应用，但其断裂的危险性成为一个严峻的问题，针对先进高强度钢的断裂预测研究受到了世界各国的高度关注。本项目实施前，先进高强钢在常见塑性成形工艺中常温、低速率条件下先进高强度钢断裂的试验和基础理论研究正在广泛开展，而辊弯成形中先进高强度钢的断裂预测刚刚起步。. 应变速率与温度是影响材料力学行为及断裂的重要因素，而目前对室温下塑性成形过程的断裂研究尚建立于准静态、不考虑工艺参数引起的温度变化的前提之下。因此，迫切需要揭示先进高强钢辊弯成形中的特殊断裂机理，考虑应变速率和温升的影响，有针对性的建立断裂准则，精确预测此工艺中的断裂缺陷。本课题重点研究先进高强度钢辊弯成形中涉及应变率和温升效应的断裂预测，项目实施过程中主要研究内容及相应的主要结果和关键数据包括：（1）辊弯成形专业回弹和断裂实验平台的建立。针对项目需求，并结合有限元模拟，分别设计了包括不同成形角度的两套成形轧辊，可以进行不同工艺参数的辊弯成形断裂实验，为本项目实施提供重要的实验支撑。（2）应变速率与温度相关的先进高强度钢辊弯成形过程的有限元仿真。设计了三种不同加载路径的实验，并测量了不同应变率下的温升效应，得到了本项目所用的应变速率和温升相关的塑性数据。（3）本构模型参数求解及其在辊弯成形中的验证。主要包括屈服准则和本构方程的确立。针对本项目中的辊弯成形工艺，提出了一套全新的屈服准则和本构模型的确立方法。与常用参数求解方法相比，使用所提出的方法可以大大减少实验数量。除了辊弯成形，所提出的方法对于其他成形工艺，具有很强的适用性。（4）先进高强度钢辊弯成形断裂机理的深入研究。提出了一套基于微观形貌观察和宏观力学两方面相结合的研究方法，对辊弯成形断裂机理进行了深入分析，并基于两种实验对此方法的有效性进行了验证。（5）在上述基础上建立了用于辊弯成形断裂预测的断裂准则，并将其嵌入有限元软件中，对断裂行为进行了精确预测。结果表明，所建立的断裂预测平台对先进高强钢辊弯成形断裂预测具有较高的精度。分析了工艺参数对辊弯断裂的影响规律。. 研究成果将为先进高强度钢辊弯成形技术在的提高及其汽车等领域的广泛使用打下坚实的基础。项目中提出的研究方法对其他塑性成形中的断裂预测和和高精度有限元建模，也具有重要的科学意义。