1.一种提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、建立第一模型和第二模型,所述第一模型为变厚度金属薄壁结构件所用金属材料材质、结构形状及具体尺寸,所述第二模型为根据实际服役需求选定的变厚度金属薄壁结构件的厚度分布形式;
S2、建立第三模型和第四模型,所述第三模型为根据第一模型和第二模型,通过创新工艺技术或组合工艺技术制备得到的变厚度金属薄壁结构件;所述第四模型为根据第一模型、第二模型和第三模型获得的变厚度金属薄壁结构件的基准延伸率;
S3、建立第五模型和第六模型,所述第五模型为根据第二模型和第三模型获得的初始屈服强度力学性能数据;所述第六模型为根据第四模型和第五模型获得的变厚度金属薄壁结构件的目标延伸率;
S4、建立第七模型,所述第七模型为对第五模型进行拟合曲线获得的初始屈服强度随厚度变化的连续曲线,即初始屈服强度具体分布;
S5、建立第八模型,所述第八模型为根据第四模型、第五模型和第六模型获得的目标屈服强度具体分布,即目标屈服强度随厚度变化的连续曲线;
S6、根据第二模型、第七模型和第八模型获得目标屈服强度具体分布与初始屈服强度具体分布之间的差异强度,制定差异化热处理工艺;利用差异化热处理技术对变厚度金属薄壁结构件进行性能调控,通过调整截面承载能力水平控制提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的程度及在后续成形时整体变形能力的提高幅度。
2.根据权利要求1所述的提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法,其特征在于,所述变厚度金属薄壁结构件的壁厚为0.5 mm~4.5 mm;所述延伸率为均匀延伸率。
3.根据权利要求1所述的提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法,其特征在于,所述基准延伸率通过如下步骤获得:步骤一:根据结构具体尺寸及厚度分布形式,设计变厚度单向拉伸标准试样几何尺寸;
结构具体形状为板材或带材时,几何尺寸包括试样总长度、原始标距、平行段长度、平行段原始宽度、夹持端宽度及过渡圆弧半径;结构具体形状为线材时,几何尺寸包括试样总长度或原始标距;结构具体形状为管材时,几何尺寸包括试样总长度、原始标距和夹持端高度;
步骤二:通过位置选取,采用电火花线切割技术切取具有厚度过渡区的变厚度单向拉伸标准试样,对其进行至少3组单向拉伸力学性能重复测试,将外载出现极高位置处的试样伸长率视作该试样的均匀延伸率,对各组试样拉伸测试得到的均匀延伸率平均处理获得变厚度金属薄壁结构件的基准延伸率;其中,所述厚度过渡区包含在变厚度单向拉伸标准试样的平行段原始标距内;所述变厚度单向拉伸标准试样的平行段宽度均一,不随厚度变化而发生改变;
步骤三:利用有限元仿真软件构建变厚度金属薄壁结构件标准拉伸试样模型,并对其单向拉伸过程进行模拟,将模拟结果与实验结果进行对比验证,以确保有限元模型准确性。
4.根据权利要求3所述的提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法,其特征在于,所述目标延伸率的选定包括如下步骤:步骤1:根据结构厚度分布形式选取最大厚度和最小厚度,以其为上下限等分位数离散选取N个厚度,通过创新工艺技术制备出N个等厚度金属薄壁结构件,N个等厚度金属薄壁结构件的N个等厚度数值与等分位数离散选取的N个厚度一一对应;其中,N个等厚度金属薄壁结构件的制造技术与制备变厚度金属薄壁结构件的制造技术相同,N个等厚度金属薄壁结构件之间的制造技术相同;所述N为等分位离散数量,且N≥2,所需结果精确度要求愈高时N值取值愈大;
步骤2:根据步骤一和步骤二方法制备对应N个厚度的等厚度单向拉伸标准试样,分别对各试样进行单向拉伸力学性能测试,获得对应N个厚度试样的初始屈服强度力学性能数据;
步骤3:基于步骤2中得到的对应N个厚度试样的初始屈服强度,选定该金属材料最大屈服强度和热处理调控力学性能实际能够达到的最小屈服强度,以最小厚度与最大屈服强度乘积、最大厚度与最小屈服强度乘积为承载载荷水平的上下限,具体分为以下几种情况:① 最大厚度与最小屈服强度乘积大于最小厚度与最大屈服强度乘积时,最大厚度与最小屈服强度乘积为承载载荷水平的上限,最小厚度与最大屈服强度乘积则为承载载荷水平的下限;
② 最大厚度与最小屈服强度乘积小于最小厚度与最大屈服强度乘积时,最大厚度与最小屈服强度乘积为承载载荷水平的下限,最小厚度与最大屈服强度乘积则为承载载荷水平的上限;
③ 最大厚度与最小屈服强度乘积等于最小厚度与最大屈服强度乘积时,承载载荷水平不存在上下限,为均一值;
所述最大屈服强度为对应N个厚度试样初始屈服强度中最大值;
所述最小屈服强度为热处理调控力学性能实际能够达到的最小值;
步骤4:分别以承载载荷水平上限和下限为对象,根据各厚度区域截面承载载荷计算公式,计算得到两组屈服强度随厚度分布情况,具体计算公式如下: (1)
式中,N代表选取的不同厚度编号;Fi代表步骤3计算得到的承载载荷水平上限或下限;
为结构厚度变化范围内除最小厚度值或最大厚度值以外的其它厚度位置屈服强度,为结构厚度变化范围内除最小厚度值或最大厚度值以外的其它厚度;
步骤5:确定目标延伸率的上限和下限
根据结构具体尺寸及厚度分布形式,设计变厚度单向拉伸标准试样几何尺寸,利用有限元仿真软件构建变厚度金属薄壁结构件标准拉伸试样模型,并对其单向拉伸过程进行模拟,将外载出现极高位置处的试样伸长率视作该试样的均匀延伸率;变厚度金属薄壁结构件标准试样模型中同时赋予厚度分布情况和步骤4中得到的屈服强度分布情况;当赋予承载载荷水平上限和计算得到的屈服强度分布情况时,获得的均匀延伸率为目标延伸率的下限;当赋予承载载荷水平下限和计算得到的屈服强度分布情况时,获得的均匀延伸率为目标延伸率的上限;
步骤6:根据需求选定目标延伸率,具体分为以下几种情况:
① 所需目标产品性能要求为大幅提高延伸率时,选择目标延伸率上限或上限附近;
② 所需目标产品性能要求为小幅提高延伸率时,选择目标延伸率下限或下限附近;
③ 所需目标产品性能要求为适当提高延伸率时,选择目标延伸率中位线或中位线附近;
所述目标延伸率≥基准延伸率;
步骤7:以承载载荷为Y轴、均匀延伸率为X轴绘制平面直角坐标系,将步骤3和步骤5中得到的承载载荷水平上下限及对应目标延伸率上下限绘制于该平面直角坐标系中,将承载载荷水平上限及下限用线性连接,将选定的目标延伸率所在X轴位置作竖线,其与承载载荷连接线相交位置的Y轴高度为目标延伸率对应承载载荷水平,再根据步骤4中的计算公式(1),通过选定的目标延伸率对应承载载荷水平计算得到目标屈服强度随厚度变化的连续曲线。
5.根据权利要求4所述的提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法,其特征在于,差异化热处理工艺制定步骤如下:步骤1.1:依照步骤一和三构建变厚度金属薄壁结构件标准拉伸试样有限元模型,并将步骤7中的目标屈服强度及厚度分布情况赋予模型中,对其单向拉伸过程进行模拟,将载荷出现极高位置处的试样伸长率视作该试样的均匀延伸率,并与目标延伸率进行对比验证;
步骤2.1:以初始屈服强度为Y轴、厚度为X轴绘制平面直角坐标系,将步骤2中得到的N个厚度试样初始屈服强度和厚度数值放置于平面直角坐标系中,利用拟合曲线将获得的N个厚度初始屈服强度平滑连接,获得初始屈服强度随厚度变化的连续曲线;
步骤3.1:以差异强度为Y轴、厚度为X轴绘制平面直角坐标系,将初始屈服强度随厚度变化的连续曲线与目标屈服强度随厚度变化的连续曲线绘制于平面直接坐标系中,对同一厚度位置下的目标屈服强度与初始屈服强度相减,获得目标屈服强度具体分布与初始屈服强度具体分布之间的差异强度,以其为目标制定差异化热处理工艺;
所述差异化热处理工艺制定可以分为以下几种情况:
① 产品某一厚度位置目标屈服强度高于初始屈服强度时,该位置热处理工艺制定根据所选金属材料热处理性能变化规律进行调控,提高该位置屈服强度数值至目标屈服强度;
② 产品某一厚度位置目标屈服强度低于初始屈服强度时,该位置热处理工艺制定根据所选金属材料热处理性能变化规律进行调控,降低该位置屈服强度数值至目标屈服强度;
③ 产品某一厚度位置目标屈服强度等于初始屈服强度时,该位置不进行热处理;
所述初始屈服强度和目标屈服强度在所选金属材料热处理可调控范围内。
6.根据权利要求1‑5任意一项权利要求所述的提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法,其特征在于,所述厚度分布形式分为以下几种情况:① 目标产品的厚度变化方向为纵向或横向,或为纵向横向同时变化;
② 目标产品的厚度变化特征包括连续变化和突变;所述连续变化为厚度呈线性变化,或为厚度呈非线性变化;
③ 目标产品包括至少0个厚度过渡区或0个等厚度区,其中,目标产品包括多个厚度过渡区及等厚度区,或为互相组合成的复杂变厚度产品,所述等厚度区包括相同厚度的薄区或厚区;
④ 目标产品的厚度变化形式至少包括单调递增、单调递减、先减后增、先增后减或突变中的一组简单形式,或多组简单形式的组合。
7.根据权利要求1或4所述的提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法,其特征在于,所述创新工艺技术至少包括动态变辊缝轧制技术、横向变厚度轧制技术、行星轧制技术、连续铸轧技术、柔性环轧技术、激光拼焊技术、补丁板技术、柔性模具可调挤压技术、柔性模具可调拉拔技术、3D打印技术或高压铸造技术;所述组合工艺技术为创新工艺技术与后续成形技术的结合,所述后续成形技术包括冲压、冲裁、弯曲、拉深、成形及特种成形工艺。
8.根据权利要求1或5所述的提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法,其特征在于,所述差异化热处理技术包括差异化加热技术和差异化冷却技术;所述差异化加热技术为整体式差异化加热技术或局部式差异化加热技术,或整体式差异化加热技术和局部式差异化加热技术的组合形式;所述整体式差异化加热技术至少包括动态感应加热控温技术、梯度感应加热线圈技术、分区自阻加热技术、激光热处理技术、温度控制接触加热技术或分区加热型热处理炉,所述局部式差异化加热技术至少包括局部感应加热技术、局部电阻加热技术、选择性激光热处理技术、部分接触加热技术或盐浴炉;所述差异化冷却技术至少包括动态介质冷却技术、梯度介质冷却技术、分区介质冷却技术、梯度接触冷却技术或分区接触冷却技术,所述介质至少包括空气、保护气氛、水、盐水、碱水或油。
9.根据权利要求1所述的提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法,其特征在于,所述金属材料材质为可通过热处理调控力学性能的常规金属材质,至少包括碳钢、合金钢、铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金或钛及钛合金。
10.根据权利要求1所述的提高变厚度金属薄壁结构件延伸率的设计方法,其特征在于,所述结构形状至少包括板材、带材、线材或管材;所述线材的截面形状至少包括圆形、方形、椭圆形、梯形或异形;所述管材的截面形状为简单形状或复杂形状,所述简单形状至少包括圆形、方形、椭圆形、菱形或多边形,所述复杂形状至少包括波纹形、双凸形、双凹形或圆锥形;所述结构具体尺寸根据目标产品的尺寸要求确定。