数据驱动的金属薄壁零件性能优化方法技术

本发明专利技术提供了一种数据驱动的金属薄壁零件性能优化方法，包括：对金属试样进行预应变处理，记录试样应变场变化；将预应变后的金属试样按照一定温度曲线进行烘烤处理；测试获得全面的原始状态板材力学性能和预应变烘烤处理后的板材性能数据，并进行对比分析获得二者力学性能参数和材料模型；基于预应变烘烤硬化前后的材料级力学性能和材料模型，根据服役要求，对原始状态零件以及经过预应变烘烤处理后零件进行仿真验证，对比材料性能变化对结构性能的影响；根据仿真结果以及设计要求，确定金属板厚度、强度级别以及制造工艺参数；使用仿真所确定的尺寸的低强度牌号板材进行零件冷冲压成形，轧至预定应变，整体烘烤硬化，并进行性能实验验证。性能实验验证。性能实验验证。

【技术实现步骤摘要】
数据驱动的金属薄壁零件性能优化方法


[0001]本专利技术涉及低成本金属结构成形优化
，具体地，涉及数据驱动的金属薄壁零件性能优化方法，更为具体地，涉及一种考虑成形及烘烤工艺对零件服役性能影响的金属板选材用材优化设计方法。

技术介绍

[0002]薄壁件作为一种典型轻量化结构，已被广泛应用于车辆运载，航空航天等领域。对于薄壁结构而言，如何以更少的材料使用、更低的能源消耗满足更强的机械性能要求是轻量化结构设计的目标，也同样是提高材料利用率，节约资源，实现碳中和的重要选项。目前的薄壁结构设计制造过程中往往只考虑金属板材初始的力学性能，忽略了制造工艺对于金属材料的重要影响，因此难以在构件设计初期就整体考虑最终制造零件的性能要求，从而无法实现金属板选材用材的优化设计。以车身结构制造为例，许多薄壁零件需要通过冲压成形、焊接、装配后进行烤漆工艺(烘烤工艺)，在整个制造过程中初始金属板材的力学性能在经历一系列制造过程(预变形、热处理)后其性能已经发生了巨大变化，而实际零件的性能又强烈依赖于制造过程的工艺参数，因此现有的采用材料初始性能的零件设计方法难以实现最终产品的优化设计，往往出现性能过剩或者性能不足。另一方面，对于一些特定的行业领域，材料成本高昂，轻量化需求迫切，比如0018Ni高强钢因其高模量被广泛应用于战术导弹结构，而其1800MPa超高强度的特性使其可以在满足设计要求的同时更薄更轻，实现其选材用材的优化，不仅能帮助导弹减重提速，而且大大节省了制造成本。
[0003]而金属板材的烘烤硬化效应则为高强金属薄壁结构的低成本用材以及零件服役性能优化设计提供了新的思路。特别是以钢和铝合金为代表的材料在塑性成形后进行烘烤，其屈服、抗拉等强度性能可以显著提高，产生烘烤硬化现象，从而大大提升零件的服役性能。因此，通过利用该特性，可以使低强度牌号但韧性更好的板材在冷冲压等低成本成形工艺进行快速成形为结构后，进行烘烤硬化，将板材的结构成形作为预应变处理，从而大幅扩大工艺窗口，节约物料与时间成本。
[0004]专利文献CN112400033A(申请号：201980040323.4)公开了一种具有高强度、高成型性、优异的烘烤硬化性的热轧镀覆钢板及其制造方法，通过调配热轧镀覆钢板的元素和组织比例有效强化了钢板的烘烤硬化效应，以重量％计，所述热轧镀覆钢板包含：C：0.05
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0.14％、Si：0.1
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1.0％、Mn：1.0
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2.0％、P：0.001
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0.05％、S：0.001
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0.01％、Al：0.01
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0.1％、Cr：0.005
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1.0％、Ti：0.005
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0.13％、Nb：0.005
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0.03％、N：0.001
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0.01％、余量的Fe和其它不可避免的杂质，所述热轧镀覆钢板中作为主相包含铁素体和贝氏体的混合组织，作为余量组织包含选自马氏体、奥氏体和岛状马氏体(MA)中的一种以上，所述铁素体和贝氏体的分数为95
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99面积％，并满足以下关系式1。[关系式1]FCO{110}+FCO{112}≥10(其中，FCO{110}和FCO{112}分别表示具有{110}晶体取向和{112}晶体取向的组织的面积分数)。
[0005]专利文献CN112195376A(申请号：202010950499.8)公开了一种高强度汽车车身用6xxx系铝合金板材及其制备方法，具有良好成形性以及烘烤硬化效应的高强度6系铝合金
板材，所述板材包括按质量百分比计的如下组分：Si：0.4wt.％～1.2wt.％；Mg：0.3wt.％～0.8wt.％；Zn：≤0.3wt.％；Cu：0.05wt.％～0.25wt.％；Mn：0.05wt.％～0.2wt.％；Fe：≤0.3wt.％；Ti：0.01wt.％～0.03wt.％，余量为Al及含量均低于0.05wt.％的杂质。此专利技术所制备铝合金不仅具有优异的力学性能和表面质量，尤其具有高烘烤硬化性能，特别适用于汽车车身覆盖件外板。
[0006]现有技术主要从材料开发角度实现一定性能新材料的制备，但均未就如何从设计制造过程整体来考虑工艺对零件服役性能影响的角度实现最终零件力学性能的增强以及降低用材成本方面提出解决办法。因此，需提出更有效的高强金属薄壁结构低成本成形以及零件服役性能优化设计方法以综合不同的预应变、烘烤温度、烘烤时间等因素对于先进高强金属力学性能的影响以及解决实际生产中的成本、效率及性能之间的矛盾。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种数据驱动的金属薄壁零件性能优化方法。
[0008]根据本专利技术提供的一种数据驱动的金属薄壁零件性能优化方法，包括：
[0009]步骤S1：对金属试样进行预应变处理，使金属试样产生预定的预应变，并记录试样应变场变化；
[0010]步骤S2：将预应变后的金属试样按照一定温度曲线进行烘烤处理；
[0011]步骤S3：测试获得全面的原始状态板材力学性能和预应变烘烤处理后的板材性能数据，并进行对比分析，分别获得二者力学性能参数和材料模型；
[0012]步骤S4：基于预应变烘烤硬化前后的材料级力学性能和材料模型，根据服役要求，对原始状态零件以及经过预应变烘烤处理后零件进行仿真验证，对比材料性能变化对结构性能的影响；
[0013]步骤S5：根据仿真结果以及设计要求，确定金属板厚度、强度级别以及制造工艺参数；
[0014]步骤S6：使用仿真所确定的尺寸的低强度牌号板材进行零件冷冲压成形，轧至预定应变，整体烘烤硬化，并进行性能实验验证。
[0015]优选地，在冲压和烘烤过程中，调整包括板材应力状态、板材累计损伤、板材应变状态、烘烤温度以及烘烤时间变量的参数。
[0016]优选地，选择预应变和烘烤处理参数作为提升板材力学性能的设计变量；选择零件厚度以及零件力学性能为结构轻量化的设计变量。
[0017]优选地，所述步骤S1采用：对金属试样进行塑性变形力学性能测试和断裂强度性能测试获取材料性能数据。
[0018]优选地，对金属试样进行单向拉伸处理，将试验测试区长度拉伸至预定长度(1+a)I0，其中，a表示预应变水平；I0表示试样初始长度。
[0019]优选地，所述记录试样应变场变化采用：利用数字图像相关技术进行应变的测量和记录，通过实时记录试样在实验过程中应变场数据，得到任意时刻任意位置的应变数据。
[0020]优选地，所述步骤S2中温度曲线采用：恒温烤箱中的温度变化曲线；在预设时间内由室温升高至预设温度，维持预设时间后冷却至室温。
[0021]优选地，所述步骤S3采用：将原始状态板材力学性能和预应变烘烤处理后的板材性能进行对比，通过包括工程应力
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应变曲线、屈服强度以及抗拉强度的力学性能参数描述基于预应变和烘烤处理后的高强金属的性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种数据驱动的金属薄壁零件性能优化方法，其特征在于，包括：步骤S1：对金属试样进行预应变处理，使金属试样产生预定的预应变，并记录试样应变场变化；步骤S2：将预应变后的金属试样按照一定温度曲线进行烘烤处理；步骤S3：测试获得全面的原始状态板材力学性能和预应变烘烤处理后的板材性能数据，并进行对比分析，分别获得二者力学性能参数和材料模型；步骤S4：基于预应变烘烤硬化前后的材料级力学性能和材料模型，根据服役要求，对原始状态零件以及经过预应变烘烤处理后零件进行仿真验证，对比材料性能变化对结构性能的影响；步骤S5：根据仿真结果以及设计要求，确定金属板厚度、强度级别以及制造工艺参数；步骤S6：使用仿真所确定的尺寸的低强度牌号板材进行零件冷冲压成形，轧至预定应变，整体烘烤硬化，并进行性能实验验证。2.根据权利要求1所述的数据驱动的金属薄壁零件性能优化方法，其特征在于，在冲压和烘烤过程中，调整包括板材应力状态、板材累计损伤、板材应变状态、烘烤温度以及烘烤时间变量的参数。3.根据权利要求1所述的数据驱动的金属薄壁零件性能优化方法，其特征在于，选择预应变和烘烤处理参数作为提升板材力学性能的设计变量；选择零件厚度以及零件力学性能为结构轻量化的设计变量。4.根据权利要求1所述的数据驱动的金属薄壁零件性能优化方法，其特征在于，所述步骤S1采用：对金属试样进行塑性变形力学性能测试和断裂强度性...

【专利技术属性】
技术研发人员：何霁，江晟达，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：