轻量化金属板材成形——力学表征与数值模拟_闵峻英等_9787111727521

本书结合作者近十余年在轻量化金属板材成形领域的多项科研成果，聚焦学术界和企业广为关注的汽车用轻量化金属板材的力学行为与成形性能，详细介绍了先进高强度钢、铝合金等多种轻量化金属板材的加工硬化行为、随动硬化行为、屈服行为、颈缩成形极限、断裂极限、边部开裂、断裂韧性等力学行为与关键成形性能，并阐述了相关理论基础与当前的进展。书中根据近年来提出的先进方法，依托丰富的试验数据，讲解了测试与表征轻量化金属板材力学行为与成形性能的各种试验方法、关键测试步骤及试验数据的处理等内容，拓展了对轻量化金属板材力学行为与成形性能认知的深度与广度。
本书对汽车轻量化金属板材成形制造的技术创新具有重要意义，为广大汽车主机厂及其零部件供应商、钢铁企业、铝合金企业的工程技术人员，科研机构从事轻量化材料研究的工作人员及高等院校从事相关研究的师生提供了理论基础和技术指导，对支撑金属板材、汽车等行业的发展和技术进步有重要参考价值。

由于节能减排和安全性等方面的要求，轻量化已经成为汽车领域长期的研究主题，新能源汽车的轻量化需求尤为迫切。汽车轻量化的三大技术路线包括轻量化材料、轻量化设计和轻量化工艺。根据《节能与新能源汽车技术路线图20》，在未来15年内，先进高强度钢和铝合金等金属板材仍然是车身的主要轻量化材料。掌握轻量化材料的力学行为与成形性能是进行轻量化设计和拓展轻量化工艺的前提。
轻量化金属板材与低碳钢等传统金属板材相比，其力学行为和成形性能更加复杂和多样化。此外，由于数字图像相关（DIC）技术的出现，近十年来金属板材成形技术领域的表征技术发生了革命性的变化，使得人们能够更深刻地认识轻量化金属板材的力学行为与成形性能，并不断推动着成形制造技术、汽车轻量化技术的发展。因此，对轻量化金属板材的力学行为与成形性能的研究意义重大。
本书结合了作者研究团队近十余年在轻量化金属板材成形领域的多项科研成果，聚焦学术界和企业均广为关注的汽车用轻量化金属板材的力学行为与成形性能，详细介绍了先进高强度钢、铝合金等多种轻量化金属板材的加工硬化行为、随动硬化行为、屈服行为、颈缩成形极限、断裂极限、边部开裂、断裂韧性等力学行为与关键成形性能，并阐述了相关理论基础与当前的进展。书中根据近年来提出的先进表征方法，依托丰富的试验数据，讲解了测试与表征轻量化金属板材力学行为与成形性能的各种试验方法、关键测试步骤以及试验数据的处理等内容，拓展了对轻量化金属板材力学行为与成形性能认知的深度与广度。
闵峻英教授负责本书所有章节的逻辑框架制定、内容选择及全文修订，林建平教授、连昌伟博士为本书撰写提供了宝贵的修改意见及一线资料。本书的撰写得到了课题组博士后和诸多研究生的支持，侯泽然、郭楠、刘张、侯勇、申逸菲、孔婕、王文垚分别作为参与人员完成了本书第1～8章的撰写，何睿参与了第1章的撰写，侯泽然和刘张也参与了附录的撰写。
本书的主要研究成果得到了国家重点研发计划项目重点基础材料技术提升与产业化重点专项高性能超高强度汽车用钢（项目编号2017YFB0304400）、宝山钢铁股份有限公司、美国通用汽车全球研发中心、通用汽车中国科学研究院、泛亚汽车技术中心有限公司等的资助。
本书对汽车轻量化金属板材成形制造的技术创新具有重要意义，为广大汽车主机厂及其零部件供应商、钢铁企业、铝合金企业的工程技术人员，科研机构从事轻量化材料研究的工作人员及高等院校从事相关研究的师生提供了理论基础和技术指导，对支撑金属板材、汽车等行业的发展和技术进步有重要参考价值。
后，由于笔者水平有限，且先进表征技术也在快速发展过程中，如有纰漏和不足之处，恳请大家批评指正。

闵峻英

序
前言
第1章绪论1
11轻量化金属材料1
12金属板材成形的基础力学理论6
121应力分析6
122应变分析10
123应力应变关系12
13金属板材的成形性能14
131加工因素14
132材料因素15
133常见成形缺陷15
134成形性能15
14DIC技术与先进力学表征测试方法概述17
141DIC技术概述17
142基于DIC的先进力学表征测试方法概述19
15有限元仿真及材料模型22
151有限元仿真在金属板材成形中的应用22
152有限元仿真中的材料模型23
参考文献25
第2章金属板材的加工硬化行为及其表征28
21加工硬化行为28
211加工硬化理论28
212加工硬化阶段29
213加工硬化模型30
22表征测试方法32
221单向拉伸试验32
222液压胀形试验34
223剪切试验34
224面内扭转试验36
225弯曲试验38
23试验数据处理40
231单向拉伸试验40
232液压胀形试验41
233剪切试验43
234面内扭转试验44
235弯曲试验44
24模型标定方法46
参考文献49
第3章金属板材的随动硬化行为及其表征51
31随动硬化行为51
311随动硬化现象51
312随动硬化模型52
32表征测试方法56
321拉伸压缩试验57
322剪切反剪切试验59
323面内扭转反扭转试验60
324弯曲反弯曲试验61
33试验数据处理62
331应变的获取63
332应力应变曲线64
333侧向力的修正64
34YU模型参数标定65
341标定方法与流程66
342参数标定策略68
参考文献74
第4章金属板材的屈服行为及其表征76
41屈服行为76
42表征测试方法79
421胀形试验80
422双向拉伸试验82
423叠层压缩试验85
43试验数据处理88
431双向拉伸试验数据处理88
432屈服轨迹获取90
44屈服模型参数标定90
441二阶屈服模型的参数标定90
442高阶屈服模型的参数标定91
参考文献94
第5章金属板材的颈缩成形极限及其表征100
51颈缩失稳行为与成形极限100
511颈缩失稳行为100
512成形极限的理论计算模型101
513成形极限的半经验计算模型105
52表征测试方法107
521Marciniak试验和Nakazima试验107
522液压胀形试验109
523十字试样双向拉伸试验110
524双向拉伸球头胀形复合试验110
525成形极限的简化试验方案111
53试验数据处理113
531网格分析法113
532基于DIC技术的方法115
54成形极限的影响因素及其修正122
541非线性应变路径的影响122
542板材弯曲（或曲率）的影响123
543厚向压应力的影响124
参考文献127
第6章金属板材的断裂极限及其表征131
61断裂行为与断裂极限131
611断裂的类型131
612相关概念的介绍132
613断裂模型的分类134
62表征测试方法137
621简单剪切断裂试验137
622面内扭转试验139
623单向拉伸断裂试验141
624平面应变断裂试验142
625等双向拉伸断裂试验146
626变应变（重复加载）路径断裂试验146
63试验数据处理153
631断裂极限应变的确定153
632断裂模型的标定155
64边部断裂敏感性及其表征156
641表征测试方法157
642数据处理161
参考文献163
第7章金属板材的断裂韧性及其表征168
71断裂韧性168
72表征测试方法169
721叠层冲击试验169
722三点尖冷弯试验171
723三点尖冷弯主应变的在线DIC测量176
724三点尖冷弯厚向应变的在线DIC测量176
725三点尖冷弯的离线DIC测量177
73数据处理178
731叠层冲击178
732三点尖冷弯常规数据处理179
733在线DIC数据处理180
734断裂应变的离线测量181
735离线DIC数据处理183
74断裂应变测量方法的比较与总结184
参考文献184
第8章轻量化金属板材成形数值模拟185
81U形件回弹数值模拟185
811MP980钢U形件回弹数值模拟186
812QP980钢U形件回弹数值模拟189
82M形件回弹数值模拟193
821有限元模型及边界条件194
822QP1500钢M形件回弹量测定方法195
823不同应变范围曲线标定的YU模型参数对回弹仿真的影响196
824不同加载顺序曲线标定的YU模型参数对回弹仿真的影响197
83某车型A柱成形数值模拟198
831有限元仿真模型介绍198
832试模试验结果与仿真结果对比（板料形状调整之前）199
833试模试验结果与仿真结果对比（板料形状调整之后）202
84柔性成形数值模拟203
841有限元模型及工具头运动轨迹生成203
842工具头运动轨迹策略对渐进成形的影响204
843定残余高度轨迹的试验验证205
85薄壁构件轴向压溃数值模拟206
851有限元模型及边界条件207
852仿真结果208
86基于GISSMO断裂模型的零件三点弯曲数值模拟209
861GISSMO模型介绍210
862GISSMO有限元模型参数标定210
863网格正则化210
864GISSMO模型准确性验证212
参考文献214
附录216
附录A典型双相钢（DP）力学表征测试结果216
A1静态力学性能216
A11加工硬化行为216
A12随动硬化模型参数217
A13屈服轨迹与屈服模型218
A2动态力学性能219
A3成形性能220
A31成形极限220
A32边部断裂敏感性220
A4应用案例220
附录B典型淬火延性钢（QP）力学表征测试结果221
B1静态力学性能221
B11加工硬化行为221
B12随动硬化模型参数222
B13屈服轨迹与屈服模型222
B2动态力学性能223
B3成形性能224
B31成形极限224
B32断裂极限224
B33边部断裂敏感性225
B4应用案例225
附录C典型铝合金（AA）力学表征测试结果225
C1静态力学性能225
C11加工硬化行为225
C12屈服轨迹与屈服模型226
C2成形性能227
C3应用案例227

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