基于ABAQUS的VCM深冲钢板拉伸性能分析

郭照灿，张德海，许志瀚

1．郑州轻工业大学 机电工程学院，河南 郑州 450002；2．东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110000

0 引言

信息、能源和材料被称为现代科学的三大支柱，随着科学技术的快速发展，各行业对材料综合性能的要求不断提高[1]，单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料难以满足这些性能要求.材料的复合化是新材料的重要发展方向，复合材料已逐渐成为21世纪的主导材料之一，相比传统的单一材料，复合材料性能优异[2]，广泛应用于基础设施建设、交通运输、航空航天等领域.

VCM深冲钢板属于金属复层板，是将钢材进行表面处理后辊涂或粘结氯乙烯薄膜并加热烘烤而成，广泛应用在白色家电的外观面板上，具有良好的耐腐蚀、耐磨、高比模量和高比强度等性能[3].与成型金属表面进行的单件喷涂或刷涂质量相比，VCM深冲钢板的涂装质量更加均匀，具有自重轻、强度高、防水和抗震性能好等优势[4].

近年来，国内外学者针对金属复层板的研究主要集中在相关力学性能及界面的设计与控制.王群骄等[5]采用轧制复合技术制备了铜/铝复层板，研究发现，铜/铝复层板经300 ℃退火处理1 h后，铜/铝界面的结合强度和复层板的弯曲性能达到峰值.G.Y.Yan等[6]研究了均匀化退火处理对直接冷却法制备的7050/6009复层板坯界面区域的组织演化、成分分布和力学性能的影响，结果表明，经均质退火后，富锌相和Al15(FeMn)3Si2相沉淀在双金属界面上，且由于晶粒粗化，双金属在6009合金侧和界面处的维氏硬度降低.梁晋等[7]利用数字图像相关法(DIC)研究了热处理工艺和接触状态对铜/铝复层板成形极限的影响，发现铝在内层时复层板成形极限大于铜在内层时的成形极限，且经过退火处理的铜/铝复层板成形性能优于未退火时的性能.张德海等[8]将数字散斑相关方法应用于双金属复层材料结构及现场工程变形测量，验证结果表明，应变精度可提高5%.孙涛等[9]提出了一种用于爆炸焊接制备的铜/铝复层板全场三维应变测量的方法，通过Q235钢拉伸实验，将DIC法与引伸计变形测量结果进行对比，验证了该方法的可行性.上述研究主要通过DIC法获得复层板的力学性能和复层板界面性能的影响因素，但均未涉及利用有限元仿真[10]对复层板力学性能的研究.鉴于此，本文拟通过ABAQUS软件对VCM深冲钢板及其组分材料的力学性能进行有限元仿真，获取3种材料相应的力学参数并进行对比分析，进而得出VCM深冲钢板的相关力学性能，以期为其他复层材料的力学性能测量提供参考.

1 ABAQUS有限元仿真

1.1 有限元模型的建立

VCM深冲钢板选自河南新飞电器有限公司的冰箱门外壳，其结构组成见图1，钢板基板为SPCE深冲钢板，选自韩国浦项钢铁公司，VCM薄膜产自深圳市美达思装饰材料有限公司.ABAQUS有限元软件[11]建模方式一般分为两种：在ABAQUS/CAE中直接建模；从其他建模软件中导入已经建好的模型.由于模型相对简单，所以本文直接在ABAQUS/CAE中建模，以避免软件兼容性问题且不需要对导入模型进行修改或修复.板状拉伸试样模型如图2所示.

图1 VCM深冲钢板结构组成Fig.1 VCM deep drawing steel plate structure composition

图2 VCM深冲钢板结构组成Fig.2 Plate tensile specimen model

1.2 ABAQUS有限元模拟

ABAQUS既能分析简单的线性静力学问题，又能解决工程中复杂模型的高度非线性问题，其有限元分析包括ABAQUS/CAE前处理、分析运算、ABAQUS/Viewer后处理3个阶段，其中分析运算阶段有ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit 两种分析形式，ABAQUS/Standard可分析诸多领域的线性和非线性问题，但对于短暂、瞬时动态事件的模拟，以及冲击和高度不连续问题的求解不及ABAQUS/Explicit.VCM深冲钢板及其组分材料属于非线性材料，试样在拉伸过程中经历弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和损伤演化阶段[12]，最终被拉断，所以更适合用ABAQUS/Explicit进行显示分析.

在前处理阶段，分别建立VCM深冲钢板、钢板基板和VCM薄膜的有限元模型，Property模块分别定义这3种材料的密度、弹性、塑性、损伤、演化等相关力学参数，其中，VCM深冲钢板为复合材料，其截面属性设置为连续壳.

分析运算阶段采用动态显示分析，在Step模块创建新的分析步骤“Step-1”后，为其选择“Dynamic Explicit”,设置“Time Period”为1.为节省计算时间、提高分析效率，使用“Mass scaling”，设置“Scale by factor”为1E2,然后设置相应的场输出和历程输出，并将输出频率设置为200.在Interaction模块，将钢板基板与VCM薄膜之间的作用类型设为“General contact(Explicit)”，并通过设置“Tangential Behavior”“Normal Behavior”“Cohesive Behavior”“Damage”“Geometric Properties”等相关参数[13]来定义钢板基板与VCM薄膜的界面属性.用Load模块定义试样模型的拉伸加速度，设置一个“ENCASTRE(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)”的边界条件，将试样模型一端固定，并给另一端定义一个30 mm/s2的拉伸加速度.用Mesh模块分别对VCM深冲钢板及其组分材料拉伸模型进行网格划分，对于VCM深冲钢板，选择连续壳复合层类型，其网格单元选择Continuum Shell中的SC8R单元类型[14]，其余拉伸试样模型采取仿真分析中常用的C3D8R单元类型.板状拉伸试样网格模型如图3所示，其中，1为试样大变形区域，对其进行了网格细化；2为变形渐变区域，靠近断裂区处最密，逐渐稀疏；3为远离断裂区域，采用稀疏网格[15].在Job模块对要分析的模型数据创建一个作业，进行提交计算.

图3 板状拉伸试样网格模型Fig.3 Grid model of plate tensile specimen

在后处理阶段显示ODB文件中的分析计算结果，包括变形前/后的模型图、矢量/张量符号图、材料方向图、各种变量的分布云图、变量的X-Y图表、动画等[16].

2 结果与分析

2.1 3种材料力学性能仿真结果

在试样的拉伸过程中，由于材料的拉伸方向是X轴方向，所以该方向的应力、应变可以较好地反映整个试样的应力、应变变化，而Y轴和Z轴方向的应力与应变变化量相对较小，影响较小，可以不予考虑.钢板基板、VCM薄膜和VCM深冲钢板在X轴方向将要拉断时的应力、应变云图如图4和图5所示.通过图4和图5可以得到3种材料在X轴方向上的最大应力、最大应变，如表1所示.

图5 将要拉断时的应变云图Fig.5 Strain cloud diagram before breaking

由表1可得，VCM深冲钢板的最大应力、最大应变均大于钢板基板，这说明在增加VCM薄膜材料之后，增强了钢板基板整体强度和应变能力，VCM深冲钢板的力学性能有所提高.

表1 3种材料在X轴方向上的最大应力、最大应变

2.2 网格收敛性分析

在实际工程分析中，应采用密度足够的网格以保证计算结果的精度，即网格收敛性研究(Grid Convergence Study，GCS).GCS的基本思想是，随着网格数目的增多，空间离散所引入的误差会逐渐趋于0.在有限元分析中，网格的收敛性是指随着网格密度的增加，模拟所产生的数值结果会趋于一个唯一解.当进一步细分网格所得解的变化可忽略不计时，表明网格收敛.

分别更改钢板基板、VCM薄膜和VCM深冲钢板有限元模型网格的密度，其他条件保持不变，利用ABAQUS对模型进行拉伸仿真，结果如表2—4所示.

表2 钢板基板网格模型仿真结果

表3 VCM薄膜网格模型仿真结果

表4 VCM深冲钢板网格模型仿真结果

由表2—4可知，随着有限元模型网格密度的增加，3种材料的抗拉强度、上屈服强度、断裂应变和断后伸长率的数值变化逐渐减小，呈收敛趋势，表明所得仿真结果具有较高的准确度.

2.3 3种材料力学性能对比分析

复合材料拉伸时会发生界面损伤与失效、基体损伤与失效现象，界面损伤脱粘并诱发基体塑性损伤和失效是导致复合材料断裂的主要机理[17].VCM深冲钢板各组分在界面处会表现出材料特性的不连续性，而这种不连续性易造成局部或整体的变形和断裂行为，在整个变形过程中很难达到屈服与破坏的同步，这使材料很容易在附加应力的作用下沿薄弱方向产生失效甚至断裂[18].VCM深冲钢板断裂界面如图6所示.

图6 VCM深冲钢板断裂界面Fig.6 VCM deep drawing steel plate fracture interface

通过ABAQUS对VCM深冲钢板、钢板基板和VCM薄膜进行拉伸性能仿真，3种材料的应力-应变曲线如图7所示.由图7可知，试样在拉伸过程中的弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和损伤演化阶段在图中都有相应的体现.在试样拉伸过程中，相较于钢板基板，VCM深冲钢板先达到屈服阶段，抗拉强度更高，且断裂时的应力更大.这些都表明在钢板基板表面辊涂VCM薄膜后，基板的强度与塑性得到了提升.

图7 3种材料的应力-应变曲线Fig.7 Stress-strain curves of 3 materials

通过图7可计算得出VCM深冲钢板及其组分材料的抗拉强度、上屈服强度、断裂应变和断后伸长率等相关力学参数，如表5所示.

由表5可得，VCM深冲钢板的上屈服强度小于钢板基板，且其抗拉强度大于钢板基板；VCM深冲钢板的断裂应变和断后伸长率均介于钢板基板与VCM薄膜之间，且其断裂应变和断后伸长率均大于钢板基板.这表明，粘结VCM薄膜后，钢板基板塑性增强，相较于钢板基板，VCM深冲钢板的综合性能有所提高.

表5 3种材料的力学参数

2.4 组分材料对VCM深冲钢板力学性能的影响

为计算钢板基板和VCM薄膜对VCM深冲钢板力学性能的影响大小，引入钢板基板的影响系数(ISTL)和VCM薄膜的影响系数(IVCM)：

其中，PSTL为钢板基板的力学参数，PCOM为VCM深冲钢板的力学参数，PVCM为VCM薄膜的力学参数.

ISTL和IVCM可用来评价复合钢板的力学性能，并且能够显示钢板基板和VCM薄膜在复层板中的作用大小及影响程度.影响系数越大，表明该组分对复层板总体性能的影响越大，反之，影响越小.由3种材料的力学参数可以得出钢板基板和VCM薄膜对VCM深冲钢板力学性能的影响系数如图8所示.由图8可知，钢板基板对VCM深冲钢板的抗拉强度和上屈服强度的影响较大，其中影响最大的是上屈服强度，其值达1.051，影响次之的是抗拉强度，其值为0.982，影响最小的是断后伸长率，其值为0.935；VCM薄膜对VCM深冲钢板影响最大的是断裂应变，其值达7.236，其次是断后伸长率，其值为1.288，而抗拉强度和上屈服强度的影响较小，其影响系数均小于1.这说明，钢板基板对VCM深冲钢板的强度影响较大，但对塑性和延展性的影响较小，而VCM薄膜则与之相反.

图8 钢板基板和VCM薄膜对 VCM深冲钢板力学性能的影响系数Fig.8 Influence coefficient of steel plate substrate and VCM film on VCM deep drawing steel plate

3 结论

利用ABAQUS有限元仿真软件，通过建立VCM深冲钢板、钢板基板和VCM薄膜的板状拉伸试样模型，研究了VCM深冲钢板力学性能与其组分材料的关系，得出以下结论：VCM深冲钢板相较于钢板基板在强度和塑性方面均有所提高；钢板基板对VCM深冲钢板的抗拉强度和上屈服强度的影响较大，即对VCM深冲钢板的强度影响较大，VCM薄膜对VCM深冲钢板的断裂应变和断后伸长率的影响较大，即对VCM深冲钢板的塑性和延展性的影响较大.利用有限元仿真法对复层板的力学性能进行研究，可使设计人员在预测复层板性能时减少相应的处理工序，达到节约资源、降低成本、缩短周期的目的.下一步，将引入相关系数探究组分材料对复层板力学性能的影响，通过控制组分材料，进一步提升金属复层板的综合性能.