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专利号: 2023104659680
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法,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板带材所用材料类型、牌号和几何外形尺寸;所述第二模型为变厚度金属板带材的厚度非均匀分布情况;

S2、建立第三模型,所述第三模型为根据第一模型和第二模型得到的变厚度金属板带材的基准延伸率;

S3、建立第四模型和第五模型,所述第四模型和第五模型为根据第二模型和第三模型,并基于制造技术得到的变厚度金属板带材各厚区位置材料的初始本构关系和对应承载载荷‑位移关系;所述各厚区位置为在厚度变化区间等分位离散选取的N个厚度位置;

S4、建立第六模型,所述第六模型为根据第三模型、第五模型及各厚区位置材料的延伸率情况获得的变厚度金属板带材延伸率可调控范围;

S4、建立第七模型,所述第七模型为根据第六模型及不同服役目标需求获得的变厚度金属板带材的目标延伸率;

S5、建立第八模型,所述第八模型为根据第四模型和第七模型获得的变厚度金属板带材各厚区位置材料的目标本构关系;

S6、根据第二模型、第四模型和第八模型获得各厚区位置材料的初始本构关系及目标本构关系之间的差异情况,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板带材进行性能调控,通过调整目标延伸率水平控制提升变厚度金属板带材延伸率的程度及在后续成形时整体变形能力的提升幅度;

所述变厚度金属板带材的厚度变化范围为0.5 mm~4.5 mm;

所述本构关系为真实应力‑真实应变关系,其中,所述初始本构关系为初始真实应力‑真实应变关系,所述目标本构关系为目标真实应力‑真实应变关系;

所述延伸率为均匀延伸率。

2.根据权利要求1所述的提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法,其特征在于,所述变厚度金属板带材的基准延伸率通过如下步骤获得:步骤一:根据结构几何外形尺寸及厚度非均匀分布情况,设计变厚度单向拉伸标准试样几何尺寸;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;

步骤二:采用电火花线切割技术切取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,将承载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,对各组试样拉伸测试得到的均匀延伸率进行平均处理,获得变厚度金属板带材的基准延伸率;其中,变厚度单向拉伸标准试样的厚度过渡区包含在试样平行段原始标距内;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板带材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。

3.根据权利要求2所述的提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法,其特征在于,所述变厚度金属板带材各厚区位置材料的初始本构关系和对应承载载荷‑位移关系通过如下步骤获得:步骤1:根据结构厚度非均匀分布情况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,通过制造技术制备出对应N个等厚度金属板带材,其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个等厚度金属板带材的制造技术与制备变厚度金属板带材的制造技术相同,N个等厚度金属板带材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:依照步骤一设计对应N个厚度的等厚度单向拉伸标准试样,并分别对其进行单向拉伸力学性能测试获得N个厚度的力学性能数据,提取对应N个等厚度单向拉伸标准试样的承载载荷‑位移关系及初始真实应力‑真实应变关系。

4.根据权利要求3所述的提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法,其特征在于,所述变厚度金属板带材延伸率可调控范围及目标延伸率通过如下步骤获得:步骤1.1:根据步骤2得到的N个等厚度单向拉伸标准试样的承载载荷‑位移数据,选取承载载荷出现极高位置处的试样伸长率视作对应厚度试样的均匀延伸率,将N个等厚度单向拉伸标准试样均匀延伸率中最大均匀延伸率视作变厚度金属板带材延伸率可调控范围的上限,将N个等厚度单向拉伸标准试样均匀延伸率中最小均匀延伸率视作变厚度金属板带材延伸率可调控范围的下限,以上下限作为变厚度金属板带材延伸率可调控范围;具体还可分为以下三种情况:① 若变厚度金属板带材基准延伸率低于延伸率可调控范围下限,则最大均匀延伸率和最小均匀延伸率为变厚度金属板带材延伸率可调控范围上下限;

② 若变厚度金属板带材基准延伸率高于延伸率可调控范围下限而低于延伸率可调控范围上限,则最大均匀延伸率和基准延伸率为变厚度金属板带材延伸率可调控范围上下限;

③ 若变厚度金属板带材基准延伸率高于延伸率可调控范围上限,则该变厚度金属板带材延伸率不可通过调控获得提高;

步骤2.1:变厚度金属板带材目标延伸率根据需求在N个等厚度单向拉伸标准试样均匀延伸率结果中选定,具体分为以下几种情况:① 若变厚度金属板带材性能要求为大幅提高延伸率时,目标延伸率选为延伸率可调控范围的上限或上限附近;

② 若变厚度金属板带材性能要求为小幅提高延伸率时,目标延伸率选为延伸率可调控范围的下限或下限附近;

③ 若变厚度金属板带材性能要求为适当提高延伸率时,目标延伸率选为延伸率可调控范围的中位线或中位线附近。

5.根据权利要求4所述的提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法,其特征在于,所述变厚度金属板带材各厚区位置材料的目标本构关系通过如下步骤获得:步骤1.2:基于得到的N个等厚度单向拉伸标准试样的初始真实应力‑真实应变关系数据,以目标延伸率对应厚度试样的初始真实应力‑真实应变数据为基准,建立该厚度的承载载荷‑应变关系,具体公式如下:(1)

式中,t代表目标延伸率对应厚度值且在整个拉伸过程中保持不变; 代表目标延伸率对应厚度试样在拉伸过程中的真实应力;Fi代表目标延伸率对应厚度试样在拉伸过程中的承载载荷;

步骤2.2:以目标延伸率对应厚度试样的承载载荷‑应变数据为基准,将余下N‑1个等厚度单向拉伸标准试样的承载载荷‑应变数据与目标延伸率对应厚度试样的承载载荷‑应变数据设计为相同,利用如下公式(2)得到余下N‑1个等厚度单向拉伸标准试样的目标真实应力‑真实应变关系曲线数据;

(2)

式中,N代表选取的不同厚度编号; 代表选取的不同厚度值且在整个拉伸过程中保持不变; 代表不同厚度试样在拉伸过程中的真实应力;Fi代表目标延伸率对应厚度试样在拉伸过程中的承载载荷;

步骤3.2:以应力为Y轴、应变为X轴绘制平面直角坐标系,将得到的N个等厚度单向拉伸标准试样的目标真实应力‑真实应变关系曲线数据放置于平面直角坐标系中,标记清楚每条曲线所对应的初始厚度值,以此获得变厚度金属板带材各厚区位置材料的目标真实应力‑真实应变关系曲线数据。

6.根据权利要求5所述的提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法,其特征在于,变厚度金属板带材各厚区位置材料的初始本构关系及目标本构关系之间的差异情况通过如下步骤获得:步骤1.3:依照步骤一和步骤三构建变厚度金属板带材标准拉伸试样有限元模型,并将步骤2.2中的目标本构关系及厚度非均匀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2.3:以真实应力为Y轴、真实应变为X轴绘制平面直角坐标系,将步骤2及步骤3.2中得到的某一厚度试样初始真实应力‑真实应变关系曲线数据和对应厚度试样目标真实应力‑真实应变关系曲线数据放置于该平面直角坐标系中,对所有应变区域内同一应变位置下的目标真实应力与初始真实应力相减,获得该厚度下初始真实应力‑真实应变关系曲线与目标真实应力‑真实应变关系曲线之间的差异分布;

步骤3.3:依照步骤2.3的方法对余下N‑1个等厚度单向拉伸标准试样进行相同的数据处理,最终得到变厚度金属板带材各厚区位置材料的初始本构关系及目标本构关系之间的差异情况,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分为以下几种情况:

① 产品某一厚度应变位置目标真实应力高于初始真实应力时,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,提高该位置真实应力至目标真实应力;

② 产品某一厚度应变位置目标真实应力低于初始真实应力时,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,降低该位置真实应力至目标真实应力;

③ 产品某一厚度应变位置目标真实应力等于初始真实应力时,该位置不进行热处理工艺制定;

初始应力和目标应力在所选金属材料热处理可调控范围内。

7.根据权利要求1‑6任意一项权利要求所述的提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法,其特征在于,所述厚度非均匀分布情况分为以下几种情况:① 厚度变化方向为纵向或横向,或为纵向横向同时变化;

② 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 包含至少0个厚度过渡区或0个等厚度区,其中,包含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 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。

8.根据权利要求1或3所述的提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法,其特征在于,所述制造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、3D打印技术或铸造技术。

9.根据权利要求1或6或所述的提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法,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。

10.根据权利要求1所述的提升变厚度金属板带材延伸率的设计方法,其特征在于,所述材料类型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。