镍基合金核燃料格架条带冲压成形数值仿真与试验研究

• 作 者: 吕晓芳
• 出 处: 上海交通大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 板料冲压 镍合金718 断裂准则 三维冲裁模拟 映射

金属板料冲压成形是一种广泛应用的钣金零件成形方式,板材料在冲压过程中变形条件复杂,成形质量受多种因素的影响。工程中普遍采用数值仿真技术模拟板料变形过程,预测起皱、断裂、回弹等缺陷。建立合适的材料模型和选择适用的屈服准则、破坏准则,是获得精确模拟结果的重要前提。核燃料格架条带是一种典型的能源行业钣金零件,针对格架条带冲压成形开展的仿真研究目前还比较少见。镍合金718因其良好的高温性能广泛应用于格架制造,目前对镍合金718材料多集中于成分改进和高温性能的研究,缺乏对其冷成形性能和仿真材料特性的系统研究。本文对镍合金718轧制薄板的冷冲压性能进行了系统的研究,包括拉伸力学性能、应变速率敏感性、板平面内的各向异性以及冲压成形流动应力的外推模型。针对核燃料格架条带冲压成形,建立三维冲裁有限元模型和考虑历史损伤残余的后续弯曲仿真模型,得到的主要成果如下:（1）测得了镍合金718轧制板料在室温下的材料参数,研究了材料在板平面内的各向异性,用实验的方法计算得到了塑性应变比r₀,r₄₅,r₉₀。研究了材料在常温下的应变速率敏感性,发现抗拉强度、屈强比、硬化指数随应变速率呈现出明显的规律性变化。（2）采用拉伸实验断裂等效应变计算得到了韧性断裂阈值,编写VUMAT用户子程序将断裂准则引入ABAQUS/Explicit模块求解。对比模拟和实验结果发现:Oyane准则能够很好地预测镍合金718板料冲切断面的质量;Freudenthal准则和Brozzo准则能较好地预测断面的光亮带和断裂带宽度,但对毛刺形状和高度的预测不准确;Rice&Tracey准则对断面质量的预测效果较差。（3）对比格架条带三维冲裁成形仿真与实验结果发现模拟对毛刺和塌角高度的预测较好,在光亮带宽度的预测上与实验结果相差较大。考虑冲裁轮廓的几何不对称性和材料的各向异性,分析了实验中沿冲裁轮廓光亮带宽度分布不均匀的原因。（4）根据零件的形状特点,考虑冲裁后损伤值残余,提出了后续弯曲成形初始损伤的映射方法。应用于仿真发现:考虑冲裁损伤值映射的弯曲仿真与实验结果相一致,能够更好地预测破裂缺陷。（5）针对镍合金718轧制板料开展的一系列实验,系统地研究了材料的性能参数,应变速率敏感性,板平面内各向异性,建立了材料的流动应力外推模型,对开展镍合金718板料成形仿真的材料模型研究具有重要的参考意义。考虑变形历史残余损伤值的映射技术,与无映射模型相比能更准确地预测弯曲破裂缺陷,对工程中连续成形零件的CAE分析具有指导意义。