摘要
由于先进高强度汽车钢兼具超高的强度和优秀的韧性，能够在碰撞过程中吸收更多的能量，因此可以在保证性能不变的前提下实现零件厚度减薄，从而降低零件重量来减轻整车质量。其次，与铝合金和碳纤维等材料相比，高强钢价格低廉，生产工艺更为成熟，成本更容易控制，使其在轻量化材料中占有非常重要的地位。然而，随着强度水平的提升，其在冷冲压过程中出现了严重的回弹缺陷，成为制约先进高强钢广泛应用的关键问题。有限元仿真已经被广泛用于成形性计算当中，但是始终难以准确模拟先进高强钢回弹过程。其主要原因是先进高强钢材料特性与传统汽车钢存在较大不同，当前本构模型不能准确描述先进高强钢经历复杂加载过程中表现出的 Bauschinger效应、瞬态效应和永久软化等 Bauschinger行为，难以精确预测成形过程中板料内应力应变响应，从而影响残余应力释放导致的回弹过程；其次，缺乏有效的试验方法，对高强钢材料力学性能认识不足，难以获取准确的本构模型参数。 高强钢DP980是先进高强钢系列的典型代表，在汽车制造领域受到了广泛关注，对其回弹的研究具有普遍代表性。本文围绕DP980的回弹问题，首先建立准确的材料本构模型，通过试验获取高强钢DP980的力学性能并获取本构参数，进而将本构模型代入有限元仿真中对高强钢DP980的回弹进行预测，研究了回弹影响因素，并提出了相关控制策略。本文开展的主要工作如下： (1)建立了综合考虑材料弹性衰减和塑性各向异性的高阶弹塑性 CINK(Coupled Isotropic-Nonlinear Kinematic)硬化本构模型，实现了对 Bauschinger行为的准确描述以及各向同性硬化和随动硬化参数解耦。推导了高阶屈服函数各向异性理论预测公式，并给出了屈服参数求解方法。提出了一个新的衰减函数，提高了弹性衰减的拟合灵活性。完成了弹塑性本构模型理论推导和完全隐式的数值积分算法推导，将有限差分法FDM(Finite Difference Methods)引入本构积分过程。开发了模块化 UMAT用户材料子程序并进行了验证，为提高板材冲压回弹预测精度奠定了理论和仿真基础。 (2)提出了一种高强钢薄板大应变Bauschinger行为测量方案，发明了一种连续拉伸-压缩试验夹具。该夹具通过对置侧向夹板实现了试件全区段包裹，有效避免了薄板试件在大应变条件下的压缩屈曲，完善了侧向夹持力测量方法，实现了试件厚度补偿和摩擦力和双轴效应数据误差修正，解决了金属薄板复杂加载条件下循环硬化曲线精准表征难题，为本构模型开发和材料参数识别提供重要的试验手段。 (3)进行了DP980综合力学性能测试和本构模型参数计算与验证。结果表明：DP980表现出明显的各向异性屈服、弹性模量衰减特性和Bauschinger行为。提出了BP神经网络法屈服参数识别方法，并对屈服模型进行评估，结果显示高阶屈服函数准确描述了DP980各向异性特性和屈服轨迹。弹性模量衰减计算结果显示新的衰减函数具有更好的拟合精度。提出了大应变流动数据自动外推修正方法和硬化公式，实现了流动数据精确描述。最后，基于以上参数完成了拉伸-压缩试验仿真并识别了随动硬化参数，结果表明：各向同性硬化模型完全不能描述Bauschinger行为；Chaboche混合硬化模型仅能在一定程度上描述 Bauschinger效应和瞬态效应，但不能描述永久软化现象；而本文提出的CINK硬化模型可以准确描述DP980材料Bauschinger行为。 (4)开展了U形拉伸/弯曲实验和数值模拟，评估了回弹预测的准确性，并研究了弹性模量、屈服模型、硬化模型、材料性能波动和摩擦系数对回弹的影响规律。结果显示：弹性模量衰减对准确回弹预测影响最大，屈服模型影响最小。常弹性模量会低估回弹，各向同性硬化和Chaboche混合硬化模型会高估回弹，CINK硬化模型计算结果与实验结果一致。并且，回弹随n值增大而减小，随抗拉强度的增大而增大，随摩擦系数增大而减小。进一步地，分析了回弹产生的机制，提出了拉延筋、后拉伸和变工序回弹控制策略并揭示了实现回弹控制的力学机理。最后通过实验进行了验证。检验了论文本构模型回弹预测的准确性以及回弹控制方法的有效性，为先进高强钢回弹缺陷的改善提供了重要的实用方法和理论指导。
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