郭照燦，張德海，許志瀚

1．鄭州輕工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2．東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110000

0 引言

信息、能源和材料被稱為現(xiàn)代科學(xué)的三大支柱，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各行業(yè)對材料綜合性能的要求不斷提高[1]，單一的金屬、陶瓷、高分子等工程材料難以滿足這些性能要求.材料的復(fù)合化是新材料的重要發(fā)展方向，復(fù)合材料已逐漸成為21世紀的主導(dǎo)材料之一，相比傳統(tǒng)的單一材料，復(fù)合材料性能優(yōu)異[2]，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、交通運輸、航空航天等領(lǐng)域.

VCM深沖鋼板屬于金屬復(fù)層板，是將鋼材進行表面處理后輥涂或粘結(jié)氯乙烯薄膜并加熱烘烤而成，廣泛應(yīng)用在白色家電的外觀面板上，具有良好的耐腐蝕、耐磨、高比模量和高比強度等性能[3].與成型金屬表面進行的單件噴涂或刷涂質(zhì)量相比，VCM深沖鋼板的涂裝質(zhì)量更加均勻，具有自重輕、強度高、防水和抗震性能好等優(yōu)勢[4].

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對金屬復(fù)層板的研究主要集中在相關(guān)力學(xué)性能及界面的設(shè)計與控制.王群驕等[5]采用軋制復(fù)合技術(shù)制備了銅/鋁復(fù)層板，研究發(fā)現(xiàn)，銅/鋁復(fù)層板經(jīng)300 ℃退火處理1 h后，銅/鋁界面的結(jié)合強度和復(fù)層板的彎曲性能達到峰值.G.Y.Yan等[6]研究了均勻化退火處理對直接冷卻法制備的7050/6009復(fù)層板坯界面區(qū)域的組織演化、成分分布和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，經(jīng)均質(zhì)退火后，富鋅相和Al15(FeMn)3Si2相沉淀在雙金屬界面上，且由于晶粒粗化，雙金屬在6009合金側(cè)和界面處的維氏硬度降低.梁晉等[7]利用數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC)研究了熱處理工藝和接觸狀態(tài)對銅/鋁復(fù)層板成形極限的影響，發(fā)現(xiàn)鋁在內(nèi)層時復(fù)層板成形極限大于銅在內(nèi)層時的成形極限，且經(jīng)過退火處理的銅/鋁復(fù)層板成形性能優(yōu)于未退火時的性能.張德海等[8]將數(shù)字散斑相關(guān)方法應(yīng)用于雙金屬復(fù)層材料結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場工程變形測量，驗證結(jié)果表明，應(yīng)變精度可提高5%.孫濤等[9]提出了一種用于爆炸焊接制備的銅/鋁復(fù)層板全場三維應(yīng)變測量的方法，通過Q235鋼拉伸實驗，將DIC法與引伸計變形測量結(jié)果進行對比，驗證了該方法的可行性.上述研究主要通過DIC法獲得復(fù)層板的力學(xué)性能和復(fù)層板界面性能的影響因素，但均未涉及利用有限元仿真[10]對復(fù)層板力學(xué)性能的研究.鑒于此，本文擬通過ABAQUS軟件對VCM深沖鋼板及其組分材料的力學(xué)性能進行有限元仿真，獲取3種材料相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)并進行對比分析，進而得出VCM深沖鋼板的相關(guān)力學(xué)性能，以期為其他復(fù)層材料的力學(xué)性能測量提供參考.

1 ABAQUS有限元仿真

1.1 有限元模型的建立

VCM深沖鋼板選自河南新飛電器有限公司的冰箱門外殼，其結(jié)構(gòu)組成見圖1，鋼板基板為SPCE深沖鋼板，選自韓國浦項鋼鐵公司，VCM薄膜產(chǎn)自深圳市美達思裝飾材料有限公司.ABAQUS有限元軟件[11]建模方式一般分為兩種：在ABAQUS/CAE中直接建模；從其他建模軟件中導(dǎo)入已經(jīng)建好的模型.由于模型相對簡單，所以本文直接在ABAQUS/CAE中建模，以避免軟件兼容性問題且不需要對導(dǎo)入模型進行修改或修復(fù).板狀拉伸試樣模型如圖2所示.

圖1 VCM深沖鋼板結(jié)構(gòu)組成Fig.1 VCM deep drawing steel plate structure composition

圖2 VCM深沖鋼板結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Plate tensile specimen model

1.2 ABAQUS有限元模擬

ABAQUS既能分析簡單的線性靜力學(xué)問題，又能解決工程中復(fù)雜模型的高度非線性問題，其有限元分析包括ABAQUS/CAE前處理、分析運算、ABAQUS/Viewer后處理3個階段，其中分析運算階段有ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit 兩種分析形式，ABAQUS/Standard可分析諸多領(lǐng)域的線性和非線性問題，但對于短暫、瞬時動態(tài)事件的模擬，以及沖擊和高度不連續(xù)問題的求解不及ABAQUS/Explicit.VCM深沖鋼板及其組分材料屬于非線性材料，試樣在拉伸過程中經(jīng)歷彈性階段、屈服階段、強化階段和損傷演化階段[12]，最終被拉斷，所以更適合用ABAQUS/Explicit進行顯示分析.

在前處理階段，分別建立VCM深沖鋼板、鋼板基板和VCM薄膜的有限元模型，Property模塊分別定義這3種材料的密度、彈性、塑性、損傷、演化等相關(guān)力學(xué)參數(shù)，其中，VCM深沖鋼板為復(fù)合材料，其截面屬性設(shè)置為連續(xù)殼.

分析運算階段采用動態(tài)顯示分析，在Step模塊創(chuàng)建新的分析步驟“Step-1”后，為其選擇“Dynamic Explicit”,設(shè)置“Time Period”為1.為節(jié)省計算時間、提高分析效率，使用“Mass scaling”，設(shè)置“Scale by factor”為1E2,然后設(shè)置相應(yīng)的場輸出和歷程輸出，并將輸出頻率設(shè)置為200.在Interaction模塊，將鋼板基板與VCM薄膜之間的作用類型設(shè)為“General contact(Explicit)”，并通過設(shè)置“Tangential Behavior”“Normal Behavior”“Cohesive Behavior”“Damage”“Geometric Properties”等相關(guān)參數(shù)[13]來定義鋼板基板與VCM薄膜的界面屬性.用Load模塊定義試樣模型的拉伸加速度，設(shè)置一個“ENCASTRE(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)”的邊界條件，將試樣模型一端固定，并給另一端定義一個30 mm/s2的拉伸加速度.用Mesh模塊分別對VCM深沖鋼板及其組分材料拉伸模型進行網(wǎng)格劃分，對于VCM深沖鋼板，選擇連續(xù)殼復(fù)合層類型，其網(wǎng)格單元選擇Continuum Shell中的SC8R單元類型[14]，其余拉伸試樣模型采取仿真分析中常用的C3D8R單元類型.板狀拉伸試樣網(wǎng)格模型如圖3所示，其中，1為試樣大變形區(qū)域，對其進行了網(wǎng)格細化；2為變形漸變區(qū)域，靠近斷裂區(qū)處最密，逐漸稀疏；3為遠離斷裂區(qū)域，采用稀疏網(wǎng)格[15].在Job模塊對要分析的模型數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個作業(yè)，進行提交計算.

圖3 板狀拉伸試樣網(wǎng)格模型Fig.3 Grid model of plate tensile specimen

在后處理階段顯示ODB文件中的分析計算結(jié)果，包括變形前/后的模型圖、矢量/張量符號圖、材料方向圖、各種變量的分布云圖、變量的X-Y圖表、動畫等[16].

2 結(jié)果與分析

2.1 3種材料力學(xué)性能仿真結(jié)果

在試樣的拉伸過程中，由于材料的拉伸方向是X軸方向，所以該方向的應(yīng)力、應(yīng)變可以較好地反映整個試樣的應(yīng)力、應(yīng)變變化，而Y軸和Z軸方向的應(yīng)力與應(yīng)變變化量相對較小，影響較小，可以不予考慮.鋼板基板、VCM薄膜和VCM深沖鋼板在X軸方向?qū)⒁瓟鄷r的應(yīng)力、應(yīng)變云圖如圖4和圖5所示.通過圖4和圖5可以得到3種材料在X軸方向上的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變，如表1所示.

圖5 將要拉斷時的應(yīng)變云圖Fig.5 Strain cloud diagram before breaking

由表1可得，VCM深沖鋼板的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變均大于鋼板基板，這說明在增加VCM薄膜材料之后，增強了鋼板基板整體強度和應(yīng)變能力，VCM深沖鋼板的力學(xué)性能有所提高.

表1 3種材料在X軸方向上的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變

2.2 網(wǎng)格收斂性分析

在實際工程分析中，應(yīng)采用密度足夠的網(wǎng)格以保證計算結(jié)果的精度，即網(wǎng)格收斂性研究(Grid Convergence Study，GCS).GCS的基本思想是，隨著網(wǎng)格數(shù)目的增多，空間離散所引入的誤差會逐漸趨于0.在有限元分析中，網(wǎng)格的收斂性是指隨著網(wǎng)格密度的增加，模擬所產(chǎn)生的數(shù)值結(jié)果會趨于一個唯一解.當(dāng)進一步細分網(wǎng)格所得解的變化可忽略不計時，表明網(wǎng)格收斂.

分別更改鋼板基板、VCM薄膜和VCM深沖鋼板有限元模型網(wǎng)格的密度，其他條件保持不變，利用ABAQUS對模型進行拉伸仿真，結(jié)果如表2—4所示.

表2 鋼板基板網(wǎng)格模型仿真結(jié)果

表3 VCM薄膜網(wǎng)格模型仿真結(jié)果

表4 VCM深沖鋼板網(wǎng)格模型仿真結(jié)果

由表2—4可知，隨著有限元模型網(wǎng)格密度的增加，3種材料的抗拉強度、上屈服強度、斷裂應(yīng)變和斷后伸長率的數(shù)值變化逐漸減小，呈收斂趨勢，表明所得仿真結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確度.

2.3 3種材料力學(xué)性能對比分析

復(fù)合材料拉伸時會發(fā)生界面損傷與失效、基體損傷與失效現(xiàn)象，界面損傷脫粘并誘發(fā)基體塑性損傷和失效是導(dǎo)致復(fù)合材料斷裂的主要機理[17].VCM深沖鋼板各組分在界面處會表現(xiàn)出材料特性的不連續(xù)性，而這種不連續(xù)性易造成局部或整體的變形和斷裂行為，在整個變形過程中很難達到屈服與破壞的同步，這使材料很容易在附加應(yīng)力的作用下沿薄弱方向產(chǎn)生失效甚至斷裂[18].VCM深沖鋼板斷裂界面如圖6所示.

圖6 VCM深沖鋼板斷裂界面Fig.6 VCM deep drawing steel plate fracture interface

通過ABAQUS對VCM深沖鋼板、鋼板基板和VCM薄膜進行拉伸性能仿真，3種材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示.由圖7可知，試樣在拉伸過程中的彈性階段、屈服階段、強化階段和損傷演化階段在圖中都有相應(yīng)的體現(xiàn).在試樣拉伸過程中，相較于鋼板基板，VCM深沖鋼板先達到屈服階段，抗拉強度更高，且斷裂時的應(yīng)力更大.這些都表明在鋼板基板表面輥涂VCM薄膜后，基板的強度與塑性得到了提升.

圖7 3種材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves of 3 materials

通過圖7可計算得出VCM深沖鋼板及其組分材料的抗拉強度、上屈服強度、斷裂應(yīng)變和斷后伸長率等相關(guān)力學(xué)參數(shù)，如表5所示.

由表5可得，VCM深沖鋼板的上屈服強度小于鋼板基板，且其抗拉強度大于鋼板基板；VCM深沖鋼板的斷裂應(yīng)變和斷后伸長率均介于鋼板基板與VCM薄膜之間，且其斷裂應(yīng)變和斷后伸長率均大于鋼板基板.這表明，粘結(jié)VCM薄膜后，鋼板基板塑性增強，相較于鋼板基板，VCM深沖鋼板的綜合性能有所提高.

表5 3種材料的力學(xué)參數(shù)

2.4 組分材料對VCM深沖鋼板力學(xué)性能的影響

為計算鋼板基板和VCM薄膜對VCM深沖鋼板力學(xué)性能的影響大小，引入鋼板基板的影響系數(shù)(ISTL)和VCM薄膜的影響系數(shù)(IVCM)：

其中，PSTL為鋼板基板的力學(xué)參數(shù)，PCOM為VCM深沖鋼板的力學(xué)參數(shù)，PVCM為VCM薄膜的力學(xué)參數(shù).

ISTL和IVCM可用來評價復(fù)合鋼板的力學(xué)性能，并且能夠顯示鋼板基板和VCM薄膜在復(fù)層板中的作用大小及影響程度.影響系數(shù)越大，表明該組分對復(fù)層板總體性能的影響越大，反之，影響越小.由3種材料的力學(xué)參數(shù)可以得出鋼板基板和VCM薄膜對VCM深沖鋼板力學(xué)性能的影響系數(shù)如圖8所示.由圖8可知，鋼板基板對VCM深沖鋼板的抗拉強度和上屈服強度的影響較大，其中影響最大的是上屈服強度，其值達1.051，影響次之的是抗拉強度，其值為0.982，影響最小的是斷后伸長率，其值為0.935；VCM薄膜對VCM深沖鋼板影響最大的是斷裂應(yīng)變，其值達7.236，其次是斷后伸長率，其值為1.288，而抗拉強度和上屈服強度的影響較小，其影響系數(shù)均小于1.這說明，鋼板基板對VCM深沖鋼板的強度影響較大，但對塑性和延展性的影響較小，而VCM薄膜則與之相反.

圖8 鋼板基板和VCM薄膜對 VCM深沖鋼板力學(xué)性能的影響系數(shù)Fig.8 Influence coefficient of steel plate substrate and VCM film on VCM deep drawing steel plate

3 結(jié)論

利用ABAQUS有限元仿真軟件，通過建立VCM深沖鋼板、鋼板基板和VCM薄膜的板狀拉伸試樣模型，研究了VCM深沖鋼板力學(xué)性能與其組分材料的關(guān)系，得出以下結(jié)論：VCM深沖鋼板相較于鋼板基板在強度和塑性方面均有所提高；鋼板基板對VCM深沖鋼板的抗拉強度和上屈服強度的影響較大，即對VCM深沖鋼板的強度影響較大，VCM薄膜對VCM深沖鋼板的斷裂應(yīng)變和斷后伸長率的影響較大，即對VCM深沖鋼板的塑性和延展性的影響較大.利用有限元仿真法對復(fù)層板的力學(xué)性能進行研究，可使設(shè)計人員在預(yù)測復(fù)層板性能時減少相應(yīng)的處理工序，達到節(jié)約資源、降低成本、縮短周期的目的.下一步，將引入相關(guān)系數(shù)探究組分材料對復(fù)層板力學(xué)性能的影響，通過控制組分材料，進一步提升金屬復(fù)層板的綜合性能.