摘 要

2015年，我国汽车产销量创全球历史新高，已连续七年位列全球第一，并且呈现平稳增长态势，这给资源和环境带来巨大压力，国家也对汽车排放控制加大了管控力度，在这样的背景下，汽车减重势在必行。汽车轻量化的重要途径是车用新型轻量化材料的研发和利用。铝合金凭借其比强度高、良好的可焊接性、耐腐蚀性和可回收性等优点，成为重要的汽车轻量化材料之一，由于铝合金材料与传统的汽车用钢材在使用性能等各方面存在着较大的差异，因此对其在汽车工业中的应用研究也在不断地进行。本文研究了车用6061铝合金的本构关系模型，并通过数值模拟探究了其在汽车覆盖件冲压成形中的成形性能。

本文首先介绍了材料本构关系的相关理论基础，并通过6061-O铝合金板材的单向拉伸实验，选用Fields-Backofen本构方程建立该材料的本构模型，并将模型的拟合曲线与实验曲线进行了对比，验证本构模型的正确性。屈服准则是材料进入塑性状态的判据，与成形性密切相关，而由于铝合金材料在塑性变形中呈现出明显的各向异性，因此对各向异性屈服准则的研究作了相关的概述，并通过有限元分析研究了典型各向异性屈服准则对6061铝合金成形性和成形精度的影响。在此基础上，对典型汽车覆盖件的冷/热冲压成形过程进行了数值模拟，通过分析其厚度分布、应力应变分布及成形极限图等进一步探究其成形性能。

关键词：铝合金；本构关系；各向异性屈服准则；成形性

Abstract

In the year 2015, the automobile production and sales volume of our country created a global historical record and ranked first in the world for the past seven years and remains steady growth. The large quantity of automobiles brings great pressure to our resources and environment and the government has strengthened the management and control of the automobile emission. Under this background, it is essential to lighten the weight of automobiles. One of important approaches of the lightweight of automobile is to research and make use of new light materials. Thanks to the advantages of high specific strength, good weldability, corrosion resistance and recoverability, aluminum alloy becomes one of the important light materials. Since that aluminum alloy is pretty different from the steels used in automobiles in many aspects like property for use, researches for its usage in automobile industry are in progress. The paper made a research on constitutive model of 6061 aluminum alloy and studies its forming performance in automobile covering parts’ stamping forming by numerical simulation.

Firstly, the paper introduced the theoretical basis of material constitutive relation and made use of Fields-Backofen constitutive equation to establish the constitutive relation model of 6061 aluminum alloy through its uniaxial tensile test. After that, the paper compared the fitting curve with the experimental curve in order to verify the accuracy of the constitutive model. The yield criterion is the judgment of whether material is under plastic state and relevant to formability. In consequence of the anisotropy of aluminum alloy during the deformation process, the paper introduced the study of the anisotropic yield criterion and studied the typical anisotropic yield criterion’s influence on 6061 aluminum alloy’s formability and forming precision through finite element analysis. On the basis of these, the paper carried out numerical simulation of cold/hot stamping forming process of typical automobile covering parts and made further study on its thickness distribution, distribution of stress and strain and forming limit diagram.

Key Words: aluminum alloy; constitutive relation; anisotropic yield criterion; formability

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 铝合金材料的特点 1

1.1.2 铝合金在汽车工业中的应用 2

1.2 国内外关于铝合金材料本构关系及成形性的研究现状 4

1.2.1 国外研究现状 4

1.2.2 国内研究现状 4

1.3 研究目的及意义 5

1.4 本章小结 5

第2章 6061铝合金冷塑性成形材料本构关系的建立 6

2.1 引言 6

2.1.1 6000系铝合金简介 6

2.1.2 材料本构关系 6

2.1.3 6061铝合金材料本构关系模型的选择 8

2.2 6061铝合金材料室温单向拉伸实验 10

2.2.1 试样的制备 10

2.2.2 实验设备 11

2.2.3 实验方案 12

2.3 实验数据处理及各力学性能指标的计算 13

2.3.1 延伸率 13

2.3.2 抗拉强度 14

2.3.3 应变速率对材料应力应变关系曲线的影响 14

2.3.4 n值的计算 15

2.3.5 m值的计算 16

2.3.6 K值的计算 16

2.4 本构方程的确定与验证 16

2.4.1 本构模型的建立 16

2.4.2 6061铝合金F-B本构模型的验证 17

2.5 本章小结 17

第3章 6061铝合金热塑性成形材料本构关系的建立 18

3.1 引言 18

3.2 6061铝合金高温单向拉伸实验 18

3.2.1 试样的制备 18

3.2.2 实验设备 19

3.2.3 实验方案 20

3.3 实验数据处理及各力学性能指标的计算 23

3.3.1 延伸率 23

3.3.2 抗拉强度 23

3.3.3 温度对材料应力-应变关系的影响 24

3.3.3 n值的计算 25

3.3.4 m值的计算 26

3.3.5 K值的计算 26

3.4 本构方程的确定与验证 27

3.4.1 本构模型的建立 27

3.4.2 6061铝合金F-B本构模型的验证 27

3.5 本章小结 28

第4章 各向异性屈服准则对汽车覆盖件用铝合金成形性和成形精度的影响 29

4.1 引言 29

4.1.1 Hill1948屈服准则 29

4.1.2 Barlat1989屈服准则 30

4.2典型各向异性屈服准则对汽车覆盖件用铝合金成形性和成形精度的影响 30

4.2.1 引言 30

4.2.2 圆筒形件的拉深实验 31

4.2.3 典型各向异性屈服准则对铝合金成形性及成形精度影响的有限元模拟分析 31

4.4 本章小结 37

第5章 基于Dynaform的铝合金汽车覆盖件冷/热成形模拟 38

5.1 汽车发动机罩内板冷冲压成形数值模拟 38

5.1.1 引言 38

5.1.2 定义零件模型 38

5.1.3 Dynaform前处理 39

5.1.4 提交计算并进行后处理分析 39

5.2 车用加强板热冲压成形数值模拟 41

5.2.1 引言 41

5.2.2 定义零件模型 41

5.2.3 定义热分析选项参数 42

5.2.4 提交LS-DYNA进行求解计算 42

5.2.5 利用eta/post进行后处理分析 44

5.3 本章小结 45

第6章 结 论 46

参考文献 47

致 谢 49

第1章 绪论

1.1 研究背景

众所周知，我国汽车工业正处于飞速发展之中，2015年的汽车年产销量创下全球新高，已经连续七年位列全球第一，并且目前仍然呈现出平稳增长的趋势。当前汽车的主要动力来源仍然为燃油，而石油作为一种不可再生能源，其世界总储量正在不断减少；另一方面，燃油燃烧所造成的汽车尾气排放也是造成环境恶化和全球气候变暖的重要原因之一。由此可见，庞大的汽车保有量已经给资源和环境带来巨大压力，汽车减重已然势在必行。据统计，对乘用车而言，汽车重量每减少10%，燃油消耗可降低6-8%，CO₂排放量则可降低4%^[1]。

汽车轻量化的主要实现方法包括汽车零部件和相关结构的优化设计、高强轻质材料的选用以及先进的加工制造技术设备与工艺方案等。而结构的优化设计除了要保证汽车的强度、耐用性及寿命等使用性能外，还必须考虑到消费者对驾驶安全和舒适性的需求，因此对结构的改进往往受到较多的限制。而使用先进的加工设备和工艺技术则必须考虑到制造成本的增加，其研究和推广均面临挑战。因此新型轻量化材料的应用便成为备受关注的领域。而铝合金材料所具有的诸如比强度高、表面容易着色、较高的回收利用率等优点，使其在汽车制造中的应用已经发展成为一种趋势，并俨然成为首选的轻量化材料。但是不可忽视的现实是，铝合金材料与传统的汽车用钢材在材料性质、使用性能等各方面存在着诸多差异，使得铝合金材料在汽车轻量化中的应用受到了一定的限制，因而国内外针对车用铝合金材料的相关研究一直在进行。较为准确地获得铝合金的材料本构关系是利用有限元模拟来预测成形规律及缺陷的前提，而对其成形性的模拟预测又是工程应用的重要准备工作之一，因此研究车身覆盖件用铝合金材料本构关系及其成形性能具有重要的意义。

1.1.1 铝合金材料的特点

铝元素是地壳中含量最多的金属元素，铝是面心立方结构，具有很高的塑性，且抗腐蚀性能较好，但其缺点是强度较低，因此在实际应用中人们往往加入某些合金元素并施以合适的热处理方法来进行强化，得到一系列的铝合金材料，铝合金的比强度（强度与表观密度的比值）很高，甚至胜过很多合金钢，因此在工业生产中成为很重要的一种结构材料。铝合金具有许多优于其他常用有色金属、塑料以及钢铁等材料的性能，如具有良好的耐腐蚀性、耐低温性、导电性和导热性，无磁性，耐酸性和抗辐射性能较好，此外还具有良好的吸音性和抗撞击性能。

比强度高是铝合金最大的也是最重要的性能之一，相比钢结构车身，发动机盖板使用铝合金材料生产制造可以使汽车减重50%，而据美国铝业公司统计，铝合金材料的应用可使车身重量减轻30%~40%。如前所述，汽车重量的降低将减少燃油消耗和温室气体的排放量，其对节约地球资源和保护生态环境具有重要的意义。与此同时，通过应用设计，车用铝合金结构的抗弯性和扭曲刚性将得到大幅度提升，大大提高了汽车的使用性能。