СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАЗРУШЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК G01N3/28 B21J1/04 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к способу и устройству, а также программному продукту и носителю информации для прогнозирования разрушения тонкой пластины, выполненной из металлического материала, и оно особенно предпочтительно в качестве критерия определения разрушения в случае разрушения материала в процессе повреждения при аварии автомобильной детали, подвергнутой прессованию (штамповке).

Уровень техники

[0002] Предел разрушения определяется, вообще говоря, с использованием критерия утонения или диаграммы предельного деформирования (ДПД) (от англ. «forming limit diagram», FLD). ДПД указывает главную и второстепенную деформацию (ε₁ и ε₂ соответственно), при которой происходит разрушение, и может использоваться в анализе повреждений при аварии (т.н. «краш-анализе»). ДПД может быть экспериментально определена посредством нагружения образцов по различным пропорциональным траекториям. Наказима (Nakazima) и др., например, применяли вытягивание полусферическим пуансоном для прямоугольных образцов с различными ширинами. Перед операцией формовки на поверхность листа наносят маленькие разметочные кольца или сетки посредством гравировки или печатания. Эти кольца искажаются в эллипсы во время операции формовки, которая заканчивается при начале образования шейки или трещины. Размер эллипса вблизи шейки варьируется с шириной образца. Главную и второстепенную деформации измеряют по эллипсу у шейки или трещины. Наконец, предельную кривую деформирования (ПКД) проводят так, чтобы она устанавливала измеренные предельные деформации для различных траекторий.

[0003] На фиг.1 показана измеренная при эксперименте предельная кривая разрушения. В качестве способа прогнозирования ДПД используется объединение критериев Хилла (Hill) и Свифта (Swift), модель Маркиньяк-Кусчински (Marciniak-Kuczynski), модель Сторен-Райса (Storen-Rice) и т.п., и ДПД может быть получена посредством коррекции влияния толщины листа по эмпирическому правилу Килера. Разрыв может быть произведен посредством динамического кода конечных элементов, тогда как первый не может быть обнаружен при конечноэлементных анализах. Вместо прямых предсказаний разрыва, рассчитанные деформации сравнивают с критическими значениями, внешне заданными, и считается, что разрушение происходит тогда, когда одна из рассчитанных деформаций достигает предела.

[0004] Непатентный документ 1: Journal of the Japan Society for Technology of Plasticity, 45, 123, 2004.

Непатентный документ 2: CAMP-ISIJ 17, 1063, 2004.

Непатентный документ 3: Metal Forming, Hosford, 319, 1993.

Непатентный документ 4: Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series A, 54, 1617, 1998.

Сущность изобретения

[0005] Схематическая иллюстрация экспериментальных предельных деформаций при формовке для (a) пропорционального нагружения, (b) одноосного растяжения с последующим равно-двухосным растяжением, (c) равно-двухосного растяжения с последующим растяжением при плоской деформации и (d) равно-двухосного растяжения с последующим одноосным напряжением приведена на фигуре 2. На фигуре 2 показано, что максимальная кривая наблюдается при одноосном растяжении с последующим равно-двухосным растяжением, тогда как минимальная кривая получается для противоположной последовательности. ПКД для равно-двухосного растяжения с последующим растяжением при плоской деформации несколько выше, чем эта минимальная кривая.

[0006] В процессе деформирования при аварии детали кузова автомобиля, подвергнутой прессованию или предварительному деформированию при прессовании, траектория деформации часто изменяется. При оценке разрушения с использованием полученных при эксперименте предельных деформаций при формовке эти предельные деформации при формовке должны быть получены заранее по бесконечному числу траекторий деформации. Поэтому на практике для оценки разрушения необходимо использовать значение предельной деформации при формовке относительно траектории пропорционального нагружения и, следовательно, нельзя ожидать высокой точности прогнозирования.

[0007] Кроме того, разрушение стальных листов происходит при растягивающем загибании кромок, когда деформация растяжения в окружном направлении обрезной кромки достигает критического значения. Напряженное состояние на участке обрезной кромки близко к одноосному растяжению, но имеются резкие градиенты напряжения и деформации внутрь от участка обрезной кромки. Таким образом, предел разрушения указывает значение, которое довольно сильно отличается от предела деформации или напряжения разрушения, полученного при испытании на одноосное растяжение. Конкретнее, высокопрочные стали с прочностью свыше 590 МПа «страдают» разламыванием при отбортовке кромок, даже когда участок обрезной кромки достигает пластической неустойчивости и возникает локальное утонение (образование шейки по толщине), внутренний материал, исключая участок обрезной кромки, все еще не достигает пластической неустойчивости. Таким образом, будучи ограниченной внутренним материалом, пластическая неустойчивость не может быть достигнута в целом, и продвижение локализованного утонения задерживается.

[0008] Кроме того, при пределе растягивающего загибания кромок в окружном направлении участка обрезной кромки образуется большое количество шеек по толщине, и, таким образом, разрушение задерживается. Например, предполагая, что в одном положении участка обрезной кромки образовалось локализованное утонение, напряжение в окружном направлении вблизи локализованного утонения ослабляется. Однако влияние этого ослабления напряжения уменьшается с расстоянием от локализованного утонения, и когда деформирование протекает далее, образуется следующее локализованное утонение в местоположении, отделенном от первого локализованного утонения. Когда деформирование протекает еще далее, образуется новое утонение (шейка). Повторяя этот процесс, в окружном направлении участка обрезной кромки образуется большое количество шеек, и локализованное утонение растет. В данном случае причина, по которой ранее образовавшиеся шейки по толщине листа растут, но не приводят к разрушению, заключается в том, что они сдерживаются материалом, имеющим малую деформацию, и не удовлетворяют пластической неустойчивости, как весь участок обрезной кромки в окружном направлении. Поэтому при пределе растягивающего загибания, когда в одном положении в окружном направлении участка обрезной кромки образуется шейка по толщине, она не приводит к разрушению, но замедляется.

[0009] Таким образом, способ прогнозирования предела растягивающего загибания (отбортовки) кромок непрост из-за существования градиента деформации, направленного внутрь от участка обрезной кромки, и из-за эффекта замедления, так что разрушение не происходит, даже когда одно положение в окружном направлении удовлетворяет локализованному утонению. Таким образом, до настоящего времени такой способ еще не предложен.

[0010] Настоящее изобретение направлено на решение вышеуказанных технических проблем в существующем уровне техники, и задача изобретения состоит в том, чтобы предоставить способ прогнозирования разрушения, посредством которого при прогнозировании наличия возникновения разрушения в стальном листе в процессе, включающем в себя одну или более траекторий деформации, может быть легко и эффективно получена предельная кривая разрушения, и появление разрушения может быть спрогнозировано с высокой точностью прогнозирования, и риск разрушения при прессовании или стойкость к ударным нагрузкам могут быть оценены количественно, тем самым реализуя эффективную и высокоточную разработку кузовов автомобилей, оптимизируя при этом материал, формовку и конструкции кузова автомобиля для безопасности при аварии.

[0011] Способ прогнозирования разрушения по настоящему изобретению представляет собой способ оценки предела разрушения тонкой пластины из металлического материала, и этот способ включает в себя, при прогнозировании возникновения разрушения в тонкой пластине в процессе пластического деформирования в соответствии с одним или более изменениями траектории деформирования, процедуру преобразования предельной кривой разрушения в пространстве деформаций в предельную кривую разрушения в пространстве напряжений и процедуру прогнозирования наличия возникновения разрушения с использованием полученной предельной кривой разрушения в пространстве напряжений.

[0012] Кроме того, в результате специальных исследований для решения вышеуказанных проблем авторы настоящего изобретения разработали несколько следующих аспектов изобретения. Ясно показано, что прогнозирование с высокой точностью возможно за счет использования в качестве критерия разрушения коэффициента раздачи отверстия, имеющего хорошую корреляцию с пределом растягивающего загибания кромок, и, кроме того, посредством выполнения определения разрушения в пространстве напряжений, в котором можно учесть влияние деформационной предыстории, вместо пространства деформаций.

[0013] Кроме того, в результате специальных исследований для решения вышеуказанных проблем авторы настоящего изобретения разработали несколько следующих аспектов изобретения. Способ получения предела разрушения по настоящему изобретению представляет собой способ получения предела разрушения, используемого для определения предела разрушения тонкой пластины, выполненной из металлического материала, в котором коэффициент λ деформации растяжения, полученный из испытания на раздачу отверстия, преобразуют в предельную кривую разрушения в пространстве напряжений при определении предела разрушения тонкой пластины в процессе, включающем в себя одну или более вариаций траектории деформирования.

[0014] Предельная кривая разрушения, выраженная в пространстве напряжений, не зависит от траектории деформирования и, следовательно, может быть выражена единственной предельной кривой. Поэтому, используя ее в качестве критерия определения разрушения, разрушение на участке растягивающего загибания кромок, включающем в себя одну или более вариаций траектории деформирования, можно определить с высокой точностью.

[0015] В соответствии с настоящим изобретением, прогнозируя наличие возникновения разрушения в тонкой пластине в процессе, включающем в себя одну или более вариаций траектории деформирования, возможно получить предельную кривую разрушения легко и эффективно и спрогнозировать наличие возникновения разрушения с высокой точностью прогнозирования. Таким образом, риск разрушения при прессовании или аварии может быть оценен количественно, тем самым реализуя эффективную и очень точную разработку автомобильного кузова, одновременно учитывающую материал, способ конструирования и саму конструкцию.

Краткое описание чертежей

[0016] Фиг.1 - диаграмма, показывающая диаграмму предельного деформирования (ДПД), используемую для пояснения традиционного уровня техники.

Фиг.2 - диаграмма предельного деформирования, используемая для пояснения проблем, решаемых настоящим изобретением.

Фиг.3 - диаграмма для пояснения преобразования от деформации к напряжению.

Фиг.4 - диаграмма для пояснения закона преобразования координат.

Фиг.5 - диаграмма, показывающая, что, в то время как ДПД в пространстве деформаций зависит от траектории деформирования и ее предельная кривая разрушения значительно варьируется, предельная кривая разрушения в пространстве напряжений может быть выражена единственной кривой.

Фиг.6 - диаграмма, показывающая соотношение между ходом пуансона и максимальной главной деформацией.

Фиг.7 - диаграмма, показывающая сравнение точности прогнозирования при выполнении численного моделирования с различными условиями анализа и с использованием ДПД, полученной при эксперименте, и пределом возникновения локализованного утонения в качестве критерия определения разрушения.

Фиг.8 - диаграмма, показывающая позиционное соотношение между предысторией напряжения в процессе формовки, полученной численным моделированием, и предельной кривой разрушения.

Фиг.9 - диаграмма, показывающая точность прогнозирования способа по настоящему изобретению.

Фиг.10 - диаграмма, показывающая деталь с тавровым профилем сечения, которая является объектом проверки точности прогнозирования при краш-анализе, и общий вид трехточечного испытания на изгиб падающим грузом.

Фиг.11 - диаграмма, показывающая результат анализа формовки вытяжкой с изгибом таврового профиля посредством численного моделирования.

Фиг.12 - диаграмма, показывающая соотношение между эквивалентной пластической деформацией и эквивалентным напряжением в соответствии со скоростью деформации.

Фиг.13 - диаграмма, показывающая позиционное соотношение между предельной кривой динамического напряжения разрушения в пространстве напряжений и динамическим напряжением, полученным при моделировании аварии.

Фиг.14 - диаграмма, показывающая позиционное соотношение между предысторией напряжения в процессе формовки, полученной численным моделированием, и предельной кривой разрушения и точность прогнозирования способа по настоящему изобретению.

Фиг.15 - диаграмма, используемая для пояснения примера по настоящему изобретению и являющаяся диаграммой, поясняющей экспериментальный способ.

Фиг.16 - диаграмма, используемая для пояснения примера по настоящему изобретению и являющаяся диаграммой, поясняющей модель анализа.

Фиг.17 - диаграмма, используемая для пояснения примера по настоящему изобретению и являющаяся контурной диаграммой, отображающей результат анализа относительно распределения главной деформации.

Фиг.18 - диаграмма, используемая для пояснения примера по настоящему изобретению и являющаяся диаграммой, показывающей соотношение между расстоянием от края отверстия и максимальной главной деформацией в связи с результатом анализа.

Фиг.19 - диаграмма, используемая для пояснения примера по настоящему изобретению, причем она является диаграммой, показывающей соотношение между расстоянием от края отверстия и максимальной главной деформацией в связи с результатом анализа.

Фиг.20 - диаграмма, используемая для пояснения примера по настоящему изобретению и являющаяся диаграммой, показывающей позиционное соотношение между предысторией напряжения в процессе формовки, полученной численным моделированием, и линией предельного напряжения возникновения утонения.

Фиг.21 - диаграмма, используемая для пояснения примера по настоящему изобретению и являющаяся диаграммой, показывающей позиционное соотношение между предысторией напряжения в процессе формовки, полученной численным моделированием, и кривой предельного напряжения возникновения утонения, и критерием определения разрушения, полученным преобразованием коэффициента раздачи отверстия в пространство напряжений.

Фиг.22 - блок-схема, показывающая основную структуру устройства прогнозирования разрушения в соответствии с этим примером.

Фиг.23 - блок-схема последовательности операций, показывающая этапы выполнения прогнозирования разрушения в процессе формовки тонкой пластины из металлического материала, со способом прогнозирования разрушения в соответствии с этим примером.

Фиг.24 - блок-схема последовательности операций, показывающая этапы выполнения прогнозирования разрушения в процессе повреждения, продолженная из схемы прогнозирования разрушения на этапе формовки по фиг.23, со способом прогнозирования разрушения в соответствии с этим примером.

Фиг.25 - диаграмма, используемая для пояснения примера по настоящему изобретению и являющаяся диаграммой предельного деформирования (ДПД), измеренной при эксперименте.

Фиг.26 - диаграмма, используемая для пояснения примера по настоящему изобретению и являющаяся диаграммой предельного деформирования (ДПД), учитывающей влияние толщины стали с использованием правила коррекции Килера на толщину стали по отношению к предельной кривой пластической неустойчивости, спрогнозированной по теории Хилла-Свифта и модели Сторен-Райса.

Фиг.27 - диаграмма, используемая для пояснения примера по настоящему изобретению и являющаяся диаграммой предельного деформирования (ДПД), спрогнозированной с использованием закона зависимости приращения напряжения, исходя из модели Сторен-Райса.

Фиг.28 - диаграмма, используемая для пояснения примера по настоящему изобретению и являющаяся диаграммой, поясняющей преобразование от деформации к напряжению.

Фиг.29 - диаграмма, используемая для пояснения примера по настоящему изобретению и являющаяся диаграммой, показывающей, что, в то время как ДПД пространства деформации зависит от траектории деформирования и предел разрушения на ней значительно варьируется, предельная кривая разрушения в пространстве напряжений может быть выражена единственной кривой.

Фиг.30 - диаграмма, используемая для пояснения примера по настоящему изобретению и являющаяся диаграммой, поясняющей экспериментальный способ.

Фиг.31 - диаграмма, используемая для пояснения примера по настоящему изобретению и являющаяся диаграммой, показывающей линию предельного напряжения разрушения, выражающую коэффициент раздачи отверстия в пространстве напряжений.

Фиг.32 - блок-схема, показывающая основную структуру устройства получения предела разрушения в соответствии с примером 1.

Фиг.33 - блок-схема последовательности операций, показывающая этапы способа получения предела разрушения в соответствии с примером 1.

Фиг.34 - блок-схема, показывающая основную структуру устройства получения предела разрушения в соответствии с примером 2.

Фиг.35 - блок-схема последовательности операций, показывающая этапы способа получения предела разрушения в соответствии с примером 2.

Фиг.36 - блок-схема, показывающая основную структуру устройства получения предела разрушения в соответствии с примером модификации примера 2.

Фиг.37 - схематическая диаграмма, показывающая внутреннюю структуру персонального пользовательского терминального устройства.

Подробное описание предпочтительных вариантов реализации

Первый вариант реализации

[0017] Запас до разрушения при оценке формуемости определяется обычно с использованием критерия утонения или ДПД, что также может быть использовано для прогнозирования разрушения при краш-анализе автомобиля. При этом известно, что ДПД значительно изменяется в зависимости от изменений траектории деформирования, и поэтому нельзя ожидать, что она будет иметь высокую точность прогнозирования в качестве способа оценки разрушения в процессе пластического деформирования, при котором траектория деформирования значительно изменяется, как при поломке детали автомобильного кузова, подвергнутой прессованию или предварительному деформированию при прессовании.

[0018] Вместе с тем, недавно Кувабара (Kuwabara) и др. (см. непатентные документы 1, 2) подтвердили посредством эксперимента и анализа, что, используя предельную кривую разрушения, выраженную в пространстве напряжений для случая экструдированного алюминиевого материала или мягкой листовой стали в качестве объекта, предел разрушения может быть представлен почти однозначно, без зависимости от траектории деформирования. Эти сведения относятся к алюминию или мягкой листовой стали и не прояснены для высокопрочных сталей с прочностью свыше 440 МПа и, следовательно, не могут использоваться для современной разработки автомобильного кузова, в котором главным образом используются листы из высокопрочной стали.

[0019] Соответственно, авторы настоящего изобретения впервые добились следующих позиций.

(1) Когда детальный эксперимент выполняют на листах из высокопрочной стали, имеющих прочность на растяжение 440 МПа или выше, и используют предельную кривую разрушения, выраженную в пространстве напряжений, предел разрушения может быть выражен единственной предельной кривой разрушения без зависимости от траектории деформирования.

(2) При использовании предельной кривой разрушения, выраженной в пространстве напряжений, возможно с высокой точностью спрогнозировать оценку разрушения в процессе пластического деформирования, при котором траектория деформирования значительно изменяется, как при поломке детали автомобильного кузова, подвергнутой прессованию или предварительному деформированию при прессовании.

Примеры

[0020] Ниже на основе различных примеров будет подробно рассмотрен первый вариант реализации.

Пример 1

[0021] Сначала будет пояснен способ получения предельной кривой разрушения в пространстве напряжений. Используя в качестве объекта стальной лист, показанный в таблице 1, измерили (1) предельную деформацию разрушения на траектории пропорционального нагружения и (2) предельную деформацию разрушения при вариации траектории деформирования. Здесь t обозначает толщину тонкой пластины, YP обозначает условный предел текучести, TS обозначает предел прочности на растяжение, U.El обозначает равномерное удлинение, El обозначает полное удлинение, r_m обозначает среднее значение r (указывающее значение Лэнкфорда и выражаемое как r_m=(r₀+2r₄₅+r₉₀)/4, где r₀ - значение r в направлении прокатки, r₄₅ - значение r в направлении под 45° относительно направления прокатки, и r₉₀ - значение r в направлении под 90° относительно направления прокатки), а K, ε₀, n обозначают параметры материала, полученные в том случае, когда кривая напряжение-деформация, полученная из испытания на одноосное растяжение, аппроксимирована выражением функции

[Уравнение 1]

.

[0022] Для предельной деформации разрушения на траектории пропорционального нагружения деформацию разрушения измеряли при диаметре разметочной окружности 6 мм одноосным растяжением, способом Накаджима (вытягивание полусферическим пуансоном с использованием листа Тефлона (зарегистрированный товарный знак)) и испытанием на гидравлическое выгибание. С другой стороны, для предельной кривой разрушения при изменениях траектории деформации, после того как выполнили 10%-ное растяжение вдоль направления прокатки в качестве первого деформирования, деформацию разрушения измеряли одноосным растяжением и способом Накаджима так, чтобы направление под углом 90° относительно направления первичной раздачи соответствовало максимальному основному напряжению.

[0023]

[Таблица 1] ЗНАЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА И ПАРАМЕТРЫ МАТЕРИАЛА t/мм YP TS U.El El r_m K ε₀ n 1,2 460 598 12 23 1,00 937 0,0108 0,157 (Единицы: t - мм; YP, TS, K - МПа; El, U.El - %)

[0024] Преобразование от деформации к напряжению становится возможным в предположении (1) несжимаемости, (2) функции текучести Мизеса, (3) закона изотропного упрочнения материала, (4) принципа нормальности и (5) безмоментного состояния напряжения. Далее будет пояснен конкретный способ преобразования предельной кривой разрушения в пространстве деформаций в пространство напряжений.

[0025] ДПД пространства деформации - это диаграмма, показывающая главную деформацию ε₁₁, дающую предел разрушения для каждой второстепенной деформации ε₂₂, и по ним и закону постоянного объема может быть получена деформация по толщине ε₃₃:

[Уравнение 2]

.

Обычно если используется уравнение состояния материала при анализе формовки или краш-анализе, то используется закон изотропного упрочнения, предполагающий, что эквивалентное пластическое напряжение σ_eq является однозначной функцией эквивалентной пластической деформации ε_eq независимо от траектории деформирования и может быть отображено с использованием закона деформационного упрочнения Свифта в виде

[Уравнения 3]

.

В качестве функции деформационного упрочнения может быть использовано, например, полиномиальное выражение высокой степени эквивалентной пластической деформации или выражение другого вида, но предпочтительно использовать уравнение Свифта, которое дает хорошее приближение и часто используется в численном моделировании тонколистовой стали.

[0026] При использовании функции текучести Мизеса для поверхности текучести, например, эквивалентная пластическая деформация ε_eq может быть представлена в виде

[Уравнения 4]

и может быть получена с использованием анизотропного критерия Хилла в случае плоской изотропии посредством

[Уравнения 5]

.

При использовании функции анизотропной текучести Хилла требуется значение параметра r пластической анизотропии, которое может быть получено специально как r=(r₀+2r₄₅+r₉₀)/4 из значений r (r₀, r₄₅, r₉₀) в направлениях 0°, 45°, 90° относительно направления прокатки.

[0027] Кроме того, при необходимости может использоваться функция анизотропной текучести высокой степени, однако она имеет много параметров и требует учета направления на поверхности пластины при обработке и, следовательно, обеспечивает недостаточное улучшение точности, даже несмотря на то, что она усложнена. Таким образом, на практике достаточно функции текучести в предположении плоскостной изотропии (изотропной плоскости). В любой функции текучести эквивалентное пластическое напряжение σ_eq, учитывающее вариацию траектории деформирования, может быть получено с использованием эквивалентной пластической деформации ε_eq, полученной интегрированием приращения dε_eq эквивалентной пластической деформации по траектории деформирования и с помощью закона деформационного упрочнения.

[0028] Затем компонента σ_ij отклонения напряжения получается посредством изотропного упрочнения поверхности текучести, показанной на фиг.3, и принципа нормальности:

[Уравнение 6]

.

Наконец, предполагая плоское напряжение (σ₃₃=0), компонента напряжения σ'_ij может быть получена из

[Уравнения 7]

.

[0029] Следует отметить, что когда главная ось деформации и направление прокатки не совпадают, как показано на фиг.4, необходима операция преобразования координат, показанная ниже. На диаграмме x_i обозначает ось x₁//RD, ось x₂//TD, ось x₃//ND, которые являются координатными осями системы координат материала, а X_i обозначает главную ось деформации в деформации n-го порядка. Если в системе координат материала отображение компоненты тензора A есть Â_ij, а тензор с преобразованными координатами есть R, то (1) компонента деформации ε_ij, измеренная посредством экспериментальной системы координат, может быть преобразована в компоненту деформации

[Уравнение 8]

,

причем система координат материала является опорной системой координат в соответствии с законом преобразования координат. Затем компонента отклонения напряжения получается из (2) функции текучести, смоделированной с системой координат материала, являющейся опорной системой координат, и критерием нормальности, и, наконец, (3) закон преобразования координат используется для получения компоненты напряжения

[Уравнение 9]

с экспериментальной системой координат, являющейся опорной системой координат.

[0030] На фиг.5 показана ДПД, измеренная в эксперименте, и предельная кривая разрушения, полученная преобразованием ДПД в пространство напряжений с главным напряжением и второстепенным напряжением посредством вышеупомянутого способа. ДПД пространства деформации зависит от траектории деформирования, и предельная кривая разрушения значительно изменяется, но предельная кривая разрушения, выраженная в пространстве напряжений, становится единственной предельной кривой разрушения.

[0031] Кроме того, авторы настоящего изобретения продемонстрировали, что в результате выполнения экспериментов и исследований на листах высокопрочной стали классов прочности от 440 МПа до 980 МПа, показанных ниже в таблице 2, независимо от прочности материала на растяжение или механизма упрочнения, получаются единственные предельные кривые разрушения в широком диапазоне. Используя эти предельные кривые разрушения, выраженные в пространстве напряжений, оценка разрушения в процессе пластического деформирования, при котором траектория деформирования значительно изменяется, как при повреждении детали автомобильного кузова, подвергнутой прессованию или предварительному деформированию при прессовании, может быть спрогнозирована с высокой точностью.

[0032] Следует отметить, как само собой разумеющееся, что может быть использована предельная кривая разрушения, полученная преобразованием ДПД, измеренной экспериментальным способом, отличным от способа Накаджима, в пространство напряжений, или же для прогнозирования разрушения может быть использована предельная кривая разрушения, полученная преобразованием теоретической ДПД по модели локализованного утонения Хилла, модели размытого утонения Свифта, методу Маркиньяк-Кусчинского, модели Сторен-Райса или им подобных в пространство напряжений.

[0033]

[Таблица 2] ЗНАЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА И ПАРАМЕТРЫ МАТЕРИАЛА МАТЕРИАЛ t YP TS U.El El A: ТВЕРДОРАСТВОРНО-УПРОЧНЕННАЯ СТАЛЬ 440 МПа 1,2 368 460 18 35 B: ДИСПЕРСИОННО-УПРОЧНЕННАЯ СТАЛЬ 590 МПа 1,2 460 598 12 23 C: ДВУХФАЗНАЯ СТАЛЬ 780 МПа 2,0 490 840 10 19 D: ДВУХФАЗНАЯ СТАЛЬ 980 МПа 2,0 710 1010 8 14 (Единицы: t - мм; YP, TS - МПа; El, U.El - %)

[0034] Далее будет пояснен способ оценки предела разрушения. При прогнозировании разрушения материала численным моделированием методом конечных элементов (МКЭ) возникают следующие технические проблемы.

(1) На ДПД, измеренную в эксперименте, сильно влияет расстояние между точками оценки и режим трения. Таким образом, при использовании ДПД в качестве критерия определения разрушения требуется коррекция согласно условиям анализа численного моделирования.

(2) В численном моделировании увеличение деформации вплоть до равномерной деформации может быть смоделировано точно, но для моделирования локализованного утонения, возникающего в некоторой области вплоть до толщины листа или полосы скольжения, в которой деформация локализована в более узкой области, конечные элементы должны быть адекватно сегментированы. Таким образом, при производительности современных компьютеров прогнозирование является трудным.

(3) С уравнением состояния материала, используемым обычно в универсальных программных средствах, локализация деформации задерживается, и, следовательно, оценка с точки зрения риска дается в том случае, когда в качестве критерия определения разрушения принимается фактически измеренная ДПД.

[0035] В результате специальных исследований этих проблем авторы настоящего изобретения прояснили критерий определения разрушения, подходящий для численных моделирований. Пользуясь в качестве объектов стальными листами, показанными в таблице 1, выполнили численное моделирование МКЭ вытягивания полусферическим пуансоном и изучили влияния размера элемента и уравнения состояния материала на процесс локализации деформации.

[0036] На фиг.6 показано соотношение максимальной главной деформации, произведенной ходом пуансона и прессованием. Влияния размера элемента и уравнения состояния материала почти не сказываются от начала формовки до хода пуансона в приблизительно 25 мм, но эти влияния становятся заметными выше 25 мм, где начинается локализация деформации.

[0037] На фиг.7 показано сравнение точности прогнозирования при выполнении численного моделирования с различными условиями анализа и с использованием ДПД, полученной в эксперименте, и пределом возникновения локализованного утонения в качестве критерия определения разрушения. Когда в качестве критерия определения разрушения используется фактически измеренная ДПД, процесс локализации деформации нельзя точно смоделировать, и, таким образом, точность прогнозирования разрушения невысока. С другой стороны, когда в качестве предела разрушения используется предел возникновения локализованного утонения, прогнозирование становится возможным с относительно высокой точностью независимо от размера элемента и используемого уравнения состояния материала, и может быть получена оценка с точки зрения безопасности. Это предполагает, что предел возникновения локализованного утонения может быть на практике использован в качестве критерия определения разрушения, потому что вязкое разрушение в стальном листе происходит в том положении, где локализуется деформация при локализованном утонении, и когда возникает локализованное утонение, оно приводит к разрушению за очень короткое время.

[0038] Предел возникновения локализованного утонения может рассматриваться в рамках пластической неустойчивости и может быть спрогнозирован посредством теоретической ДПД по модели локализованного утонения Хилла, модели размытого утонения Свифта, методу Маркиньяк-Кусчинского, модели Сторен-Райса или им подобным.

[0039] Как показано в этом конкретном примере, в результате специальных исследований авторы настоящего изобретения обнаружили, что высокая точность прогнозирования может быть гарантирована при использовании в качестве критерия определения разрушения предельной кривой разрушения, полученной преобразованием кривой начала утонения в пространстве деформаций в пространство напряжений при оценке разрушения с помощью численного аналитического моделирования с использованием метода конечных элементов.

[0040] Далее будет пояснен конкретный пример способа оценки предела разрушения. Показывается конкретный пример прогнозирования разрушения на нелинейной траектории, например такой, что, используя в качестве объектов стальные листы, показанные в таблице 1, в качестве первого деформирования выполняют 10%-ное одноосное растяжение в направлении прокатки и после этого выполняют деформирование в условиях плоской деформации вытягиванием полусферическим пуансоном. На фиг.8 показано соотношение между предысторией напряжения в процессе формовки, полученной численным моделированием, и предельной кривой разрушения, полученной преобразованием кривой начала утонения в пространстве деформаций в пространство напряжений.

[0041] При использовании явного динамического метода численного моделирования полученное напряжение увеличивается, значительно колеблясь, поскольку распространение волны напряжения решается при минутных временных интервалах, без выполнения повторного вычисления в пределах временного шага. При этом способе сравнения позиционного соотношения между напряжением и предельным напряжением разрушения для оценки разрушения затруднительно обеспечить высокую точность прогнозирования.

[0042] В результате специальных исследований авторы настоящего изобретения изобрели способ определения разрушения с высокой точностью, при котором можно избежать, используя явный динамический метод численного моделирования, колебания напряжения путем преобразования пластической деформации в напряжение посредством последующей обработки.

[0043] На фиг.9 показаны результаты прогнозирования разрушения способом по настоящему изобретению. При обычном способе прогнозирования разрушения посредством ДПД прогнозирование с высокой точностью затруднено, поскольку предельная кривая разрушения значительно варьируется в зависимости от траектории деформирования. Напротив, применяя настоящее изобретение, можно видеть, что разрушение может быть спрогнозировано с хорошей точностью даже тогда, когда траектория деформирования варьируется. Кроме того, настоящее изобретение позволяет также оценить разрушение посредством сравнения позиционного соотношения между значением, полученным преобразованием экспериментального результата измерения деформации в напряжение, и предельной кривой разрушения, вместо того, чтобы выполнять численное моделирование, используя метод конечных элементов.

[0044] Далее будет пояснен пример применения способа прогнозирования разрушения для краш-анализа. Пользуясь в качестве объектов стальными листами, показанными в таблице 1, способ прогнозирования разрушения по настоящему изобретению применяли в краш-анализе при трехточечном изгибе (одноугловой гибке) элемента, показанного на фиг.10, с тавровым поперечным сечением и с длиной 900 мм.

[0045] Вначале выполняли анализ вытяжки с изгибом в тавровый профиль, используя численное моделирование явного динамического кода. Результат моделирования формовки показан на фиг.11. Затем создается модель конечных элементов для краш-анализа, при которой на фланцевом участке выполняется обработка точечной сваркой с плоской пластиной (с фиксированным относительным смещением между двумя контактными точками) при интервалах в 30 мм.

[0046] Далее полученный результат анализа формовки отражается на этой модели конечных элементов для краш-анализа, и краш-анализ выполняется численным моделированием посредством явного динамического кода. При оценке разрушения в материале в процессе повреждения (при краш-тесте или аварии) после прессования деформационную предысторию в течение формовки можно учесть введением в качестве начальных условий краш-анализа утонения и эквивалентной пластической деформации, полученной численным моделированием прессования, или утонения и эквивалентной пластической деформации, тензора напряжения, тензора деформации.

[0047] Следует отметить, как само собой разумеющееся, что деформационную предысторию во время формовки можно учесть посредством измерения толщины прессованного изделия, а эквивалентную пластическую деформацию - посредством эксперимента, вместо численного моделирования и введения одного из них в качестве начального условия краш-анализа.

[0048] В предыдущих конкретных примерах рассматривался квазистатический процесс пластического деформирования, такой как прессование, но при краш-анализе автомобиля необходимо учитывать механические параметры при высоких скоростях деформации. Известно, что стали имеют зависимую скорость деформации и напряжение пластического течения увеличивается, когда скорость деформации высока. При автомобильной аварии скорость деформации в том угле, где концентрируется деформация, может достигать 1000 с^-1. Для гарантии точности прогнозирования при краш-анализе необходимо учитывать точные механические параметры при высоких скоростях деформации.

[0049] Обычно при выполнении краш-анализа с численным моделированием методом конечных элементов используется уравнение Коупера-Саймондса (Cowper-Symonds) в качестве модели материала, отображающей увеличение напряжения в соответствии со скоростью деформации. На фиг.12 показано соотношение между эквивалентной пластической деформацией и эквивалентным напряжением в соответствии со скоростью деформации, а на фиг.13 показано позиционное соотношение между динамической кривой предельного напряжения разрушения в пространстве напряжений и динамическим напряжением, полученным в результате моделирования повреждения при аварии.

[0050] При оценке разрушения с использованием динамического напряжения, полученного в результате моделирования повреждения при аварии, требуется большое количество динамических кривых предельного напряжения разрушения в зависимости от скорости деформации, и практически спрогнозировать разрушение оказывается затруднительным.

[0051] В результате специальных исследований для решения этой проблемы авторы настоящего изобретения обнаружили, что может быть использовано напряжение при эталонной скорости деформации, полученной преобразованием пластической деформации, полученной в результате моделирования повреждения при аварии, и в качестве предела разрушения (критерия разрушения), используемого для определения разрушения, может быть использована только кривая предельного напряжения разрушения при единственной эталонной скорости деформации. В результате рассмотрения было обнаружено, что эталонная скорость деформации может быть скоростью квазистатической деформации. Хотя диапазон скорости квазистатической деформации различается в зависимости от материала, на практике может быть использована предельная кривая разрушения, измеренная в диапазоне от 0,001 с^-1 до 1 с^-1.

[0052] На фиг.14 показан результат прогнозирования разрушения способом по настоящему изобретению. При обычном способе прогнозирования разрушения посредством ДПД трудно с высокой точностью спрогнозировать процесс пластического деформирования, при котором траектория деформирования значительно варьируется, как при явлении повреждения после подвергания предварительному деформированию при прессовании. Однако можно видеть, что посредством применения настоящего изобретения разрушение может быть спрогнозировано с хорошей точностью даже в процессе повреждения после прессования.

[0053] Как показано в вышеупомянутых примерах, в соответствии с настоящим изобретением риск разрушения может быть оценен количественно из данных, полученных моделированием прессования и процессов повреждения стального листа посредством метода конечных элементов. В данном случае уравнение Коупера-Саймондса используется как представительный пример зависимости скорости деформации от деформационного напряжения, но эффективность настоящего изобретения не изменяется даже при использовании произвольного уравнения состояния, например уравнения упрочнения m-ой степени, уравнения Джонсона-Кука (Johnson-Cook) или им подобных, с помощью которых может быть учтена зависимость скорости деформации.

Пример 2

[0054] Далее в качестве нескольких конкретных примеров настоящего изобретения будет показан способ оценки предела отбортовки кромок с коэффициентом раздачи отверстия λ в пространстве напряжений, являющимся критерием. В качестве испытываемых образцов мы использовали листы толщиной 1,2 мм из холоднокатаной и непрерывно отожженной двухфазной стали с механическими свойствами, приведенными в таблице 3. Механические свойства получены с использованием образцов JIS-5, вырезанных в направлении прокатки стальных листов, и испытательного прибора с приводом от ходового винта при скорости крейцкопфа 10 мм/мин (скорость деформации 3×10^-3 с^-1).

[0055]

[Таблица 3] СВОЙСТВА НА РАСТЯЖЕНИЕ ЛИСТА ИЗ ДВУХФАЗНОЙ СТАЛИ t/мм YP/МПа TS/МПа U.El (%) El (%) К/МПа ε₀ n' r_m 1,2 354 614 17 30 1109 0,0070 0,230 0,89 (YP - УСЛОВНЫЙ ПРЕДЕЛ ТЕКУЧЕСТИ, TS - ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ НА РАСТЯЖЕНИЕ, U.El - РАВНОМЕРНОЕ УДЛИНЕНИЕ, El - ПОЛНОЕ УДЛИНЕНИЕ, r_m - ЗНАЧЕНИЕ ЛЭНКФОРДА)

[0056] Вначале стальной лист разрезали до размера 200 мм × 200 мм и пробивали отверстие диаметром 25 мм через центральный участок с использованием пробойника и штампа. Этот стальной лист с отверстием в центре подвергали формовке (смазывание тефлоновым листом) плоскодонным пуансоном с диаметром 100 мм и выступом штампа R в 15 мм до тех пор, пока на краю отверстия не возникнет разрушение, и когда разрушение возникало, измеряли диаметр отверстия и предельную высоту формовки. Схема эксперимента показана на фиг.15. Кроме того, измеряли ДПД способом Накаджима (вытягивание полусферическим пуансоном с использованием тефлонового листа) для использования в качестве критерия для прогнозирования разрушения в численном моделировании.

[0057] Затем выполняли численное моделирование явным динамическим кодом конечных элементов для проверки точности прогнозирования предела отбортовки кромок, соответствующего разрушению от обрезной кромки. Следует отметить, что параметры материала, предоставляемые для численного моделирования, представляют собой параметры, используемые для эксперимента, и инструменты соответствуют таковым из эксперимента. Модель анализа показана на фиг.16. Используется размер элемента в 2 мм, что равно расстоянию между точками оценки при измерении ДПД, и в рассмотрении в качестве функции текучести используется функция анизотропной текучести Хилла.

[0058] На фиг.17 показаны результаты моделирования формовки отбортовкой кромок посредством цилиндрического плоскодонного пуансона, и на фиг.18 показано соотношение между расстоянием от края отверстия и главной деформацией. Исходя из них, можно видеть, что значительная деформация привносится на край отверстия обрезной кромки и что имеется значительный градиент деформации, направленный внутрь от края отверстия. На фиг.19 показано соотношение между предысторией напряжения, в которой пластическая деформация, полученная из численного моделирования, преобразована в пространство напряжений и отложена на графике для каждой высоты формовки, и "кривой предельного напряжения возникновения утонения", полученной путем преобразования в пространство напряжений "кривой предела возникновения утонения", которая получена смещением предельной кривой деформирования, измеренной на траектории пропорционального нагружения так, что предельное значение при плоской деформации становится равным значению n. Напряжение на краю отверстия достигает кривой предельного напряжения возникновения утонения при высоте формовки 14 мм, которая значительно отличается от предельной высоты формовки в 18,5 мм, измеренной фактически в эксперименте. С другой стороны, оценили разрушение в пространстве напряжений с принятым за критерий разрушения коэффициентом раздачи отверстия. Следует отметить, что коэффициент раздачи отверстия определяется следующим уравнением.

[Уравнение 10]

.

Здесь d - диаметр отверстия (мм), когда возникает разрушение, и d₀ - диаметр отверстия (мм) в стальном листе. Для преобразования в критерий в пространстве напряжений может быть использовано относительное выражение истинной деформации ε₀ этого коэффициента раздачи отверстия, эквивалентное напряжение σ_eq и эквивалентная пластическая деформация ε_eq, например закон деформационного упрочнения Свифта

[Уравнение 11]

.

Следует отметить, что эквивалентное пластическое напряжение σ_eq, учитывающее изменения траектории деформации, может быть получено с использованием эквивалентной пластической деформации ε_eq, полученной интегрированием приращения эквивалентной пластической деформации dε_eq по траектории деформации и с помощью закона деформационного упрочнения.

[0059] На фиг.20, 21 показаны результаты прогнозирования разрушения способом по настоящему изобретению. Когда в качестве критерия разрушения при формовке отбортовкой кромок используется обычная "кривая предельного напряжения возникновения утонения", предельная высота формовки оценивается как низкая из-за наличия градиента деформации, направленного внутрь от обрезной кромки, и эффекта задержки, так что одно положение в окружном направлении не испытывает разрушение, когда оно удовлетворяет локализованному утонению. Однако можно видеть, что использование критерия, полученного преобразованием коэффициента раздачи отверстия в пространство напряжений, для определения разрушения позволяет спрогнозировать разрушение с хорошей точностью.

Пример 3

[0060] Ниже, имея ввиду вышеописанную общую структуру настоящего изобретения, будет пояснен конкретный пример со ссылкой на чертежи. На фиг.22 показана блок-схема основной конструкции устройства прогнозирования разрушения в соответствии с этим примером. Это устройство прогнозирования разрушения предназначено для прогнозирования наличия возникновения разрушения в стальном листе в процессе, включающем в себя одну или более вариаций траектории деформирования относительно стального листа, выполненного из металлического материала, и структурировано включающим в себя блок 21 оценки, оценивающий предельную кривую разрушения в пространстве деформаций на траектории пропорционального нагружения, блок 22 преобразования, преобразующий предельную кривую разрушения в пространстве деформаций, полученную на траектории пропорционального нагружения, в предельную кривую разрушения в пространстве напряжений, блок 23 определения разрушения, определяющий наличие возникновения разрушения с помощью предельной кривой разрушения в пространстве напряжений, и блок 24 отображения, отображающий результат определения блоком 23 определения разрушения, или подобное этому.

[0061] Блок 21 оценки использует приближенное уравнение

[Уравнение 12]

или

кривой напряжение-деформация, полученной, например, в результате испытания на одноосное растяжение, модель локализованного утонения

[Уравнение 13]

и модель размытого утонения

[Уравнение 14]

в комбинации для получения предела возникновения утонения в пространстве деформаций и тем самым оценивает предельную кривую разрушения в пространстве деформаций на траектории пропорционального нагружения.

[0062] Блок 21 оценки может также быть выполнен с возможностью получать предел возникновения утонения в пространстве деформаций, используя приближенное уравнение

[Уравнение 15]

или

кривой напряжение-деформация, полученной в результате испытания на одноосное растяжение, уравнение состояния, в котором направление тензора приращения пластической деформации зависит от тензора приращения напряжения по закону приращения пластической деформации, параметр Kc материала, определяющий направление тензора приращения пластической деформации, и модель локализованного утонения Сторен-Райса, и оценивать предельную кривую разрушения в пространстве деформаций на траектории пропорционального нагружения. В данном случае блок 21 оценки идентифицирует параметр Kc материала на основе одного или более измеренных значений максимальной предельной деформации ε₁ разрушения и минимальной предельной деформации ε₂ разрушения.

[0063] Следует отметить, что в этом примере показан случай, где предельная кривая разрушения в пространстве деформаций оценивается теоретически с использованием блока 21 оценки, но предельная кривая разрушения в пространстве деформаций может быть измерена экспериментально без использования блока 21 оценки. Конкретнее, предельная кривая разрушения в пространстве деформаций может быть получена, после того как получено множество коэффициентов плоской деформации относительно тонкой пластины посредством эксперимента с пропорциональным нагружением, используя измеренные значения максимальной предельной деформации ε₁ разрушения и минимальной предельной деформации ε₂ разрушения в каждом из коэффициентов деформации.

[0064] При преобразовании предельной кривой разрушения в пространстве деформаций в предельную кривую разрушения в пространстве напряжений блок 22 преобразования выполняет вышеупомянутое преобразование, используя вертикальный принцип поверхности текучести в качестве закона приращения пластической деформации. Конкретнее, как описано выше, используется функция текучести Мизеса

[Уравнение 16]

,

которая является относительным выражением эквивалентной пластической деформации ε_eq и каждой компоненты деформации ε_ij.

[0065] Блок 23 определения разрушения выполняет оценку, сравнивая позиционное соотношение между предельной кривой разрушения в пространстве напряжений, преобразованной блоком 21 преобразования, и деформированным состоянием каждого участка, полученным из результатов моделирования методом конечных элементов в процессе пластического деформирования, и определяет, что именно имеется - разрушение или то, что риск разрушения является высоким, когда деформация в процессе деформирования достигает этой предельной деформации. В данном случае в качестве метода численного анализа используется явный динамический метод, который является одним из методов конечных элементов. В этом случае пластическая деформация, полученная явным динамическим методом, преобразуется в напряжение и сравнивается с предельной кривой разрушения в пространстве напряжений.

[0066] Следует отметить, что блок 23 определения разрушения может также быть выполнен с возможностью преобразовывать деформацию, полученную из оцененных при эксперименте условий деформирования тонкой пластины, в напряжение и оценивать количественно наличие возникновения разрушения, используя предельную кривую разрушения в пространстве напряжений, вместо того, чтобы выполнять вышеупомянутое моделирование.

[0067] Здесь, в том случае, когда происходит быстрое деформирование в тонкой пластине, как при краш-анализе элемента автомобиля, блок 23 определения разрушения выполняет численный анализ, учитывая зависимость скорости напряжения пластического течения в тонкой пластине, преобразовывает пластическую деформацию, полученную в результате этого численного анализа для расчета напряжения при эталонной скорости деформации, и сравнивает это напряжение с предельной кривой разрушения в пространстве напряжений, соответствующей эталонной скорости деформации.

[0068] Фиг.23 представляет собой блок-схему последовательности операций, показывающую этапы выполнения прогнозирования разрушения в процессе формовки тонкой пластины, выполненной из металлического материала, способом прогнозирования разрушения в соответствии с этим примером. Вначале, исходя из материала тонкой пластины и значений механических свойств (t, YP, TS, El, U.El, значение r, закон упрочнения n-ой степени/закон упрочнения Свифта), которые вводятся пользователем, блок 21 оценки оценивает предельную кривую разрушения в пространстве деформаций на траектории пропорционального нагружения (этап S1).

[0069] Затем блок 22 преобразования преобразует предельную кривую разрушения в пространстве деформаций, измеренную экспериментально, в предельную кривую разрушения в пространстве напряжений с использованием функции текучести Мизеса с тем, чтобы создать ДПД по напряжению (этап S2).

[0070] Затем блок 23 определения разрушения выполняет оценку посредством сравнения позиционного соотношения между предельной кривой разрушения в пространстве напряжений, преобразованной блоком 21 преобразования, и деформированным состоянием каждого участка, полученным из результатов моделирования методом конечных элементов (здесь - явным динамическим методом) в процессе пластического деформирования, и определяет разрушение или риск разрушения (этап S3).

[0071] На этапе S3, когда определено, что предельная деформация достигнута и в тонкой пластине возникает разрушение или что риск разрушения является высоким, блок 23 определения разрушения выполняет некоторую последующую обработку (этап S4). Элемент ID, толщина тонкой пластины, деформация и информация о напряжении выводятся в файл протокола. Далее элемент, который достиг критерия, стирается, и анализ после разрушения продолжается.

[0072] Затем на блоке 24 отображения выполняются следующие различные отображения (этап S5). Риск того, что в тонкой пластине возникает разрушение, контурно отображается скалярной величиной. Кроме того, отображаются предыстория напряжения участка риска разрушения в пространстве напряжений и критерий. Одновременно контурно отображается риск возникновения складки в тонкой пластине. Здесь риск разрушения может быть отображен относительно дисперсии (среднее значение, нижнее предельное значение) в пределах стандарта значений для испытания партии.

[0073] С другой стороны, когда на этапе S3 определено, что вероятности возникновения разрушения нет или что его риск невелик, указание об этом отображается на блоке 24 отображения на этапе S6.

[0074] Фиг.24 представляет собой блок-схему последовательности операций, показывающую этапы выполнения прогнозирования разрушения в процессе повреждения, продолжающиеся от прогнозирования разрушения на этапе формовки по фиг.23, способом прогнозирования разрушения в соответствии с этим примером.

[0075] В этом случае ДПД по напряжению, созданная на этапе S2 по фиг.23, вводится и используется. Затем блок 23 определения разрушения выполняет численный анализ, учитывающий зависимость скорости деформации от деформационного напряжения в тонкой пластине, преобразует пластическую деформацию, полученную в результате численного анализа для расчета напряжения при эталонной скорости деформации, и сравнивает это напряжение с предельной кривой разрушения в пространстве напряжений, соответствующей эталонной скорости деформации, тем самым определяя разрушение или риск разрушения (этап S11).

[0076] На этом этапе S11 в блок 23 определения разрушения вводятся условия деформирования тонкой пластины, оцененные численным анализом в процессе формовки по фиг.23 в качестве начального условия численного анализа в процессе повреждения. Условия деформирования представляют собой утонение и эквивалентную пластическую деформацию или же утонение, эквивалентную пластическую деформацию, тензор напряжения и тензор деформации.

[0077] На этапе S11, когда определено, что в тонкой пластине возникает разрушение или что риск разрушения является высоким, блок 23 определения разрушения выполняет некоторую следующую обработку (этап S12). Элемент ID, утонение, деформация и информация о напряжении выводятся в файл протокола. Кроме того, элемент, который достиг критерия, стирается, и анализ после разрушения продолжается.

[0078] Затем выполняются следующие различные отображения на блоке 24 отображения (этап S13). Риск того, что в тонкой пластине возникает разрушение, контурно отображается скалярной величиной. Кроме того, отображаются предыстория напряжения участка риска разрушения в пространстве напряжений и критерий. Одновременно контурно отображается риск возникновения складки в тонкой пластине. В данном случае риск разрушения может быть отображен относительно дисперсии (среднее значение, нижнее предельное значение) в пределах стандарта значений для испытания партии.

[0079] С другой стороны, когда на этапе S11 определено, что вероятности возникновения разрушения в тонкой пластине нет или что его риск невелик, указание об этом отображается на блоке 24 отображения на этапе S14.

[0080] Как поясняется выше, в соответствии с этим примером при определении предела разрушения тонкой пластины в процессе, включающем в себя одну или более вариаций траектории деформирования, оказывается возможным получить предельную кривую разрушения легко и эффективно и определить предел разрушения с высокой точностью прогнозирования. Таким образом, риск разрушения при прессовании или повреждении (аварии) может быть оценен количественно, тем самым реализуя эффективную и очень точную разработку автомобильного кузова, оптимизированную по материалу, формовке и конструкции кузова.

Второй вариант реализации

[0081] Традиционно запас до разрушения часто оценивается по утонению, но из-за популярности численных моделирований и развития функциональных возможностей программных средств последующей обработки способы оценки разрушения с использованием диаграммы предельного деформирования (ДПД) начинают широко использоваться. ДПД может быть получена путем эксперимента, такого как способ Накаджима. Однако такой способ сложен, и трудно построить базу данных для различных типов из сортамента стальных листов и различных толщин. Таким образом, были предложены несколько подходов к прогнозированию.

[0082] Например, в функциональные возможности последующей обработки универсальных программных средств включен способ (см. непатентный документ 1), в котором эмпирическое правило Килера коррекции на толщину добавлено к модели локализованного утонения Хилла и модели размытого утонения Свифта. Однако значения прогнозирования, полученные с помощью этих теорий, позволяют прогнозировать для алюминия или мягкой стали с относительно высокой точностью, но для стальных листов с прочностью на растяжение 440 МПа или выше они дают завышенные оценки в случае одноосного растяжения и заниженные - в случае равно-двухосного растяжения. Таким образом, они не подходят для современной разработки автомобильного кузова, при которой главным образом используются листы из высокопрочной стали.

[0083] Кроме того, ДПД, как известно, значительно изменяется в зависимости от траектории деформирования. От нее нельзя ожидать высокой точности прогнозирования в качестве способа оценки разрушения в процессе пластического деформирования, при котором траектория деформирования значительно варьируется, как при повреждении детали автомобильного кузова, подвергнутой прессованию или предварительному деформированию при прессовании. Однако недавно Кувабара и др. (см. непатентные документы 1, 2) подтвердили посредством эксперимента и анализа, что, используя предельную кривую разрушения, выраженную в пространстве напряжений в случае с экструдированным алюминиевым материалом или мягкой сталью в качестве объекта, предел разрушения может быть представлен почти однозначно, без зависимости от траектории деформирования. Эти сведения относятся к алюминию или мягкой стали и не прояснены для стальных листов с пределом прочности 440 МПа или выше.

[0084] Соответственно, авторы настоящего изобретения провели тщательные эксперименты на высокопрочных сталях с прочностью на растяжение 440 МПа или выше и впервые достигли следующих положений.

(1) ДПД пространства деформаций, полученная на траектории пропорционального нагружения, может быть спрогнозирована очень точно с использованием кривой напряжение-деформация, полученной из испытания на одноосное растяжение, и толщины исходного материала или же кривой напряжение-деформация, толщины исходного материала и параметра Kc, определяющего зависимость приращения напряжения. Таким образом, база данных ДПД пространства деформаций для различных типов сортамента стальных листов и толщин может быть построена легко и просто.

(2) Определение разрушения в процессе, включающем в себя одну или более вариаций траектории деформирования, оказывается возможным посредством преобразования ДПД пространства деформаций, полученной на траектории пропорционального нагружения, в пространство напряжений и определения разрушения в пространстве напряжений.

Примеры

[0085] Ниже будет подробно пояснен второй вариант реализации на основе нескольких примеров.

Пример 1

[0086] Вначале будет пояснен способ экспериментального измерения ДПД пространства деформаций. Предельную деформацию разрушения измеряют посредством эксперимента с пропорциональным нагружением, используя в качестве объекта стальной лист, представляющий собой металлический материал, имеющий значения механических свойств и параметры материала, показанные ниже в таблице 1. Здесь t обозначает толщину тонкой пластины, YP обозначает условный предел текучести, TS обозначает предел прочности на растяжение, U.El обозначает равномерное удлинение, El обозначает полное удлинение, r_m обозначает среднее значение r (указывающее значение Лэнкфорда и выражаемое как r_m=(r₀+2r₄₅+r₉₀)/4, где r₀ - значение r в направлении прокатки, r₄₅ - значение r в направлении под 45° относительно направления прокатки, и r₉₀ - значение r в направлении под 90° относительно направления прокатки), а K, ε₀, n обозначают параметры материала, полученные в том случае, когда кривая напряжение-деформация, полученная из испытания на одноосное растяжение, аппроксимирована выражением функции

[Уравнение 17]

.

Для предельной деформации разрушения в эксперименте с пропорциональным нагружением деформацию разрушения измеряли при диаметре разметочной окружности 6 мм одноосным растяжением, способом Накаджима (экструзия шаровой головкой с использованием листа Тефлона (зарегистрированный товарный знак)) и испытанием на гидравлическое выгибание. На фиг.25 показана ДПД, включающая в себя предельную кривую разрушения в пространстве деформаций, измеренную при вышеупомянутом эксперименте.

[0087]

[Таблица 4] t/мм YP TS U.El El r_m K ε₀ n 1,2 460 598 12 23 1,00 937 0,0108 0,157 (Единицы: t - мм; YP, TS, K - МПа; El, U.El - %)

[0088] Далее будет пояснен способ оценки предельной кривой разрушения в пространстве деформаций теоретически по механическим свойствам. В качестве способа оценки ДПД имеется объединенное использование модели локализованного утонения Хилла и модели размытого утонения Свифта, модели Сторен-Райса (J.Mech. Phys. Solids, 2, 421, 1975) и им подобных, и она может быть получена посредством коррекции влияния толщины по эмпирическому правилу Килера. Конкретный способ расчета рассматривается ниже. Вначале выбираются данные для получения

[Уравнение 18]

.

В качестве способа испытания простым и выгодным является испытание на одноосное растяжение. Из кривой напряжение-деформация, полученной в результате испытания на одноосное растяжение, могут быть определены параметры материала путем подгонки выражения функции, включающего в себя подходящие параметры материала, в виде

[Уравнение 19]

.

Используя закон упрочнения n-ой степени, часто используемый в численном моделировании тонкой пластины с высокой точностью приближения, они могут быть выражены как

[Уравнение 20]

.

[0089] В качестве предельной деформации разрушения, используя закон упрочнения n-ой степени и функцию текучести Мизеса

[Уравнение 21]

для изогнутой поверхности текучести, локализованное утонение Хилла может задаваться как

[Уравнение 22]

,

а размытое утонение Свифта может задаваться как

[Уравнение 23]

.

Однако теория Хилла используется в диапазоне

[Уравнение 24]

,

поскольку локализованное утонение не может быть получено при двухосном расширении, а размытое утонение Свифта применяется в диапазоне ρ>0. На фиг.25 показана ДПД, в которой влияние толщины в теоретически рассчитанном пределе локализованного утонения скорректировано с использованием эмпирического правила Килера

[Уравнение 25]

,

где t₀ (мм) - толщина.

[0090] Размытое утонение Свифта имеет тенденцию давать заниженную оценку предела разрушения вблизи равно-двухосного растяжения и требует улучшения. Поэтому более предпочтительно использовать модель Сторен-Райса, которая выводится из модели локализованного утонения Хилла на основе теории бифуркации. Посредством модели Сторен-Райса, когда показ приращения полной теории деформации для изогнутой поверхности текучести Мизеса используется для закона упрочнения n-ой степени и изогнутой поверхности текучести, предельная деформация разрушения в диапазоне ρ≥0 задается как

[Уравнение 26]

.

[0091] На фиг.26 показана ДПД, включающая в себя предельную кривую разрушения в пространстве деформаций, рассчитанную с использованием модели Сторен-Райса. Хотя можно видеть большее улучшение точности прогнозирования, чем в модели размытого утонения Свифта, затруднительно гарантировать достаточную точность. Ито (Ito) и др. (см. непатентный документ 4) предложили уравнение состояния, в котором направление тензора приращения пластической деформации зависит от тензора приращения напряжения с тем, чтобы преодолеть недостаток того, что в принципе нормальности с изотропной функцией текучести Мизеса, являющейся пластическим потенциалом, тензор приращения напряжения и тензор приращения пластической деформации не соответствуют один другому, и направление приращения пластической деформации не следует за быстрым изменением в направлении напряжения. В этом уравнении состояния необходим параметр Kc, определяющий зависимость приращения напряжения от приращения пластической деформации, но физическое происхождение Kc неясно, и способ выведения этого параметра не предложен.

[0092] Соответственно, в качестве результатов выполнения экспериментов и исследований на высокопрочных стальных листах классов прочности от 440 МПа до 980 МПа, показанных ниже в таблице 5, авторы настоящего изобретения впервые достигли следующих положений.

(1) ДПД может быть спрогнозирована с большой точностью, если параметр Kc материала идентифицируется, исходя из измеренных значений главной деформации ε₁ предела разрушения и второстепенной деформации ε₂ предела разрушения при деформировании равно-двухосным растяжением.

(2) Kc не зависит от толщины, и, следовательно, минимально требуемый Kc может быть получен для каждого из предела прочности материала на растяжение, механизма упрочнения стального листа и т.п.

[0093] На фиг.27 показана ДПД, рассчитанная путем получения Kc для дисперсионно-упрочненного стального листа класса прочности 590 МПа, показанного в таблице 5, вышеописанным способом и с использованием закона зависимости приращения напряжения на основе модели Сторен-Райса. Следует отметить, как само собой разумеющееся, что возможно гарантировать более высокую точность прогнозирования посредством коррекции, используя предельную деформацию ε₁* разрушения при плоской деформации, измеренную в эксперименте, вместо правила Килера коррекции на толщину. Однако поскольку база данных ДПД для различных типов сортамента стальных листов и толщин может быть построена только по кривым напряжение-деформация путем испытаний материалов на одноосное растяжение, то эффективно использовать правило Килера коррекции на толщину.

[0094]

[Таблица 5] МАТЕРИАЛ t/мм YP/МПа TS/МПа U.El (%) El (%) A: ТВЕРДОРАСТВОРНО-УПРОЧНЕННАЯ СТАЛЬ КЛАССА ПРОЧНОСТИ 440 МПа 1,2 368 460 18 35 B: ДИСПЕРСИОННО-УПРОЧНЕННАЯ СТАЛЬ КЛАССА ПРОЧНОСТИ 590 МПа 1,2 460 598 12 23 C: ДВУХФАЗНАЯ СТАЛЬ КЛАССА ПРОЧНОСТИ 590 МПа 2,0 462 600 12 23 D: ДВУХФАЗНАЯ СТАЛЬ КЛАССА ПРОЧНОСТИ 780 МПа 2,0 490 840 10 19 E: ЛИСТ ДВУХФАЗНОЙ СТАЛИ КЛАССА ПРОЧНОСТИ 980 МПа 2,0 710 1010 8 14 (Единицы: t - мм; YP, TS - МПа; El, U.El - %)

Способ преобразования предельной кривой разрушения в пространстве деформаций в предельную кривую разрушения в пространстве напряжений

[0095] Пользуясь в качестве объектов стальными листами, показанными в таблице 4, предельная кривая разрушения на траектории пропорционального нагружения прогнозируется вышеупомянутым способом, и для предельной кривой разрушения при изменениях траектории деформации, после того как выполнено 10%-ное растяжение в направлении прокатки в качестве первого деформирования, деформацию разрушения измеряли одноосным растяжением, способом Накаджима (экструзия шаровой головкой с использованием листа Тефлона (зарегистрированный товарный знак)) и испытанием на гидравлическое выгибание так, чтобы направление под 90° относительно направления первичной раздачи соответствовало максимальному главному напряжению.

[0096] Преобразование от деформации к напряжению становится возможным в предположении (1) несжимаемости, (2) функции текучести Мизеса, (3) закона изотропного упрочнения материала, (4) критерия нормальности и (5) безмоментного состояния напряжения.

[0097] Далее будет пояснен конкретный способ преобразования предельной кривой разрушения в пространстве деформаций в пространство напряжений. ДПД пространства деформации представляет собой диаграмму, показывающую главную деформацию ε₁₁, дающую предел разрушения для каждой второстепенной деформации ε₂₂, и по ним и закону постоянного объема может быть получена деформация по толщине ε₃₃

[Уравнение 27]

.

Обычно в уравнении состояния, используемом при анализе формовки или краш-анализе, используется формула изотропного упрочнения, предполагающая, что эквивалентное пластическое напряжение σ_eq является однозначной функцией эквивалентной пластической деформации ε_eq независимо от траектории деформирования и может быть представлена с использованием закона деформационного упрочнения Свифта как

[Уравнение 28]

.

В качестве функции деформационного упрочнения может использоваться, например, полиномиальное выражение высокой степени эквивалентной пластической деформации или другого вида, но предпочтительно использовать уравнение Свифта, которое является очень точным по приближению и часто используется при численном моделировании тонколистовой стали. Используя функцию текучести Мизеса на изогнутой поверхности текучести, например, эквивалентная пластическая деформация ε_eq может быть представлена как

[Уравнение 29]

.

[0098] Кроме того, при необходимости может использоваться анизотропная функция текучести высокой степени, но она имеет много параметров и требует учета направления на поверхности рассматриваемой пластины при обработке и, следовательно, обеспечивает недостаточное улучшение точности, даже несмотря на то, что она усложнена. Таким образом, на практике достаточной является функция текучести, предполагающая плоскостную изотропию.

[0099] Затем компонента σ'_ij девиаторного напряжения получается посредством критерия нормальности

[Уравнение 30]

приращения пластической деформации относительно изогнутой поверхности текучести, показанной на фиг.28. Наконец, предполагая плоское напряжение (σ₃₃=0), компонента напряжения σ_ij может быть получена из

[Уравнения 31]

.

[0100] На фиг.29 показаны результаты преобразования ДПД, спрогнозированной вышеописанным способом, и предельное напряжение разрушения при вариации траектории деформирования, измеренное в эксперименте, соответственно в пространство напряжений. На ДПД пространства деформаций предел разрушения значительно варьируется в зависимости от траектории деформирования, но предельная кривая разрушения, выраженная в пространстве напряжений, может быть представлена единственной предельной кривой разрушения независимо от траектории деформирования. Поэтому для предельной кривой разрушения материала, проходящего через множество траекторий пластического деформирования, ДПД пространства деформаций, полученная на траектории пропорционального нагружения, может быть преобразована в пространство напряжений. На практике, для базы данных предельных кривых разрушения для различных типов сортамента стальных листов и толщин, предельная кривая разрушения может быть получена посредством получения диаграммы предельного деформирования (ДПД) в пространстве деформаций из кривой напряжение-деформация, полученной, исходя из испытания на одноосное растяжение и толщины материала, и преобразованием ее в пространство напряжений.

[0101] Кроме того, авторы настоящего изобретения продемонстрировали, что в результате выполнения экспериментов и исследований листов высокопрочной стали классов прочности от 440 МПа до 980 МПа, показанных в таблице 5, независимо от прочности материала на растяжение или механизма упрочнения, единственные предельные кривые разрушения получаются в широком диапазоне. Используя эти предельные кривые разрушения, выраженные в пространстве напряжений, оценка разрушения в процессе пластического деформирования, при котором траектория деформирования значительно изменяется, как при повреждении детали автомобильного кузова, подвергнутой прессованию или предварительному деформированию при прессовании, может быть спрогнозирована с большой точностью.

Пример 2

[0102] Далее будет пояснен способ экспериментального измерения коэффициента раздачи отверстия в пространстве деформаций. Рассматриваемый материал представляет собой лист двухфазной стали толщиной 1,2 мм, произведенный холодной прокаткой и непрерывным отжигом, и имеет механические свойства, приведенные в таблице 6. Механические свойства получены с использованием образцов JIS-5 в соответствии с Японским промышленным стандартом JIS Z 2201, вырезанных в направлении прокатки стальных листов, и испытательного прибора с приводом от ходового винта при скорости крейцкопфа 10 мм/мин (скорость деформации 3×10^-3 с^-1).

[0103]

[Таблица 6] ЗНАЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИССЛЕДУЕМОГО МАТЕРИАЛА t/мм YP/МПа TS/МПа U.El (%) El (%) K/МПа ε₀ n' r_m 1,2 354 614 17 30 1109 0,0070 0,230 0,89 (YP: УСЛОВНЫЙ ПРЕДЕЛ ТЕКУЧЕСТИ, TS: ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ НА РАСТЯЖЕНИЕ, U.El: РАВНОМЕРНОЕ УДЛИНЕНИЕ, El: ПОЛНОЕ УДЛИНЕНИЕ, r_m: ЗНАЧЕНИЕ ЛЭНКФОРДА)

[0104] Сначала исходный материал разрезали до размеров 200 мм × 200 мм и пробивали отверстие диаметром 25 мм через центральный участок с использованием пробойника и штампа. Этот стальной лист с отверстием в центре подвергали формовке (смазывание листом тефлона) с использованием плоскодонного пуансона диаметром 100 мм и с выступом штампа R в 15 мм до тех пор, пока не возникало разрушение на краю отверстия, и измеряли диаметр отверстия и предельную высоту формовки, когда разрушение возникало. Общий вид эксперимента показан на фиг.30. Здесь если d - диаметр отверстия (мм), когда возникает разрушение, а d₀ - диаметр отверстия (мм) стального листа, то деформация растяжения края отверстия (коэффициент раздачи отверстия) определяется следующим уравнением.

[Уравнение 32]

.

Предполагая изотропию, в пространстве деформаций главной деформации и второстепенной деформации, предел разрушения может быть выражен, используя этот коэффициент раздачи отверстия, следующим образом.

[Уравнение 33]

, .

[0105] Далее будет пояснен способ преобразования от механических свойств к пределу разрушения в пространстве напряжений. Вначале отбираются данные для получения σ_eq=f(ε_eq). В качестве способа испытания простым и выгодным является испытание на одноосное растяжение. Из кривой напряжение-деформация, полученной в результате испытания на одноосное растяжение, параметры материала могут быть определены посредством подгонки функциональным выражением, включающим в себя соответствующие параметры материала, как σ_eq=f(ε_eq). Обычно в уравнении состояния, используемом при анализе формовки или краш-анализе, используется закон изотропного упрочнения, предполагающий, что эквивалентное пластическое напряжение σ_eq является однозначной функцией эквивалентной пластической деформации ε_eq независимо от траектории деформирования и может быть представлено с использованием закона деформационного упрочнения Свифта как

[Уравнение 34]

.

В качестве функции деформационного упрочнения может использоваться, например, полиномиальное выражение высокой степени эквивалентной пластической деформации или другого вида, но предпочтительно использовать выражение Свифта, которое является очень точным по приближению и часто используется в численном моделировании тонколистовой стали.

[0106] Деформация по толщине ε₃₃ может быть получена по уравнению (3) и закону постоянного объема,

[Уравнение 35]

.

Используя функцию текучести Мизеса на изогнутой поверхности текучести, например, эквивалентная пластическая деформация ε_eq может быть представлена как

[Уравнение 36]

.

Кроме того, при необходимости может использоваться функция анизотропной текучести высокой степени, но она имеет много параметров и требует учета направления на поверхности пластины при обработке и, следовательно, обеспечивает недостаточное улучшение точности, даже несмотря на то, что она усложнена. Таким образом, на практике оказывается достаточной функция текучести, предполагающая плоскостную изотропию. Кроме того, для преобразования в пространство напряжений может использоваться относительное выражение истинной деформации ε₀ этого коэффициента раздачи отверстия, эквивалентное напряжение σ_eq и эквивалентная пластическая деформация ε_eq, например закон деформационного упрочнения Свифта

[Уравнение 37]

.

Затем компонента σ'_ij девиаторного напряжения получается посредством критерия нормальности

[Уравнение 38]

приращения пластической деформации относительно изогнутой поверхности текучести, показанной на фиг.28. Наконец, предполагая плоское напряжение (σ₃₃=0), компонента напряжения σ_ij может быть получена из

[Уравнения 39]

.

[0107] На фиг.31 показана линия предельного напряжения разрушения, полученная вышеупомянутым способом. Когда обычная предельная кривая разрушения используется в качестве предела разрушения (критерия разрушения) при деформировании отбортовкой кромок, предельная высота формовки оценивается заниженной из-за наличия градиента деформации, направленного внутрь от участка обрезной кромки, и эффекта задержки, так что одно положение в окружном направлении не разрушается, когда оно удовлетворяет локализованному утонению. Используя линию предельного напряжения разрушения, полученную вышеупомянутым способом, для определения разрушения, разрушение может быть спрогнозировано с хорошей точностью.

Пример 3

[0108] На фиг.32 показана блок-схема основной структуры устройства получения предела разрушения в соответствии с примером 1. Это устройство получения предела разрушения предназначено для определения предела разрушения стального листа в процессе, включающем в себя одну или более вариаций траектории деформирования относительно стального листа, и структурировано включающим в себя блок 1 преобразования, преобразующий предельную кривую разрушения в пространстве деформаций, полученную на траектории пропорционального нагружения, в предельную кривую разрушения в пространстве напряжений, и блок 2 отображения, отображающий предельную кривую разрушения в пространстве напряжений, полученную блоком 1 преобразования, как ДПД по напряжению.

[0109] В этом примере предельная кривая разрушения в пространстве деформаций измерена экспериментально. Конкретнее, предельная кривая разрушения в пространстве деформаций может быть получена, после того как получено множество коэффициентов плоской деформации относительно стального листа посредством эксперимента с пропорциональным нагружением, используя измеренные значения главной деформации ε₁ предела разрушения и второстепенной деформации ε₂ предела разрушения в каждом из коэффициентов деформации.

[0110] При преобразовании предельной кривой разрушения в пространстве деформаций в предельную кривую разрушения в пространстве напряжений блок 1 преобразования выполняет вышеупомянутое преобразование, используя критерий нормальности приращения пластической деформации, по которому направление приращения пластической деформации определяется в направлении, перпендикулярном к поверхности текучести. Конкретнее, как описано выше, используется функция текучести Мизеса

[Уравнение 40]

,

которая является относительным выражением эквивалентной пластической деформации ε_eq и каждой компоненты деформации ε_ij.

[0111] Фиг.33 представляет собой блок-схему последовательности операций, показывающую этапы способа получения предела разрушения в соответствии с примером 1. В этом примере, как описано выше, предельная кривая разрушения в пространстве деформаций измерена экспериментально. Вначале в связи с типом стального листа, введенным пользователем, блок 1 преобразования преобразует предельную кривую разрушения в пространстве деформаций, измеренную экспериментально, в предельную кривую разрушения в пространстве напряжений, используя, например, функцию текучести Мизеса (этап S1).

[0112] Затем предельная кривая разрушения в пространстве напряжений, полученная на этапе S1, отображается как ДПД по напряжению на блоке 2 отображения (этап S2).

[0113] Как поясняется выше, в соответствии с этим примером при определении предела разрушения тонкой пластины в процессе, включающем в себя одну или более вариаций траектории деформирования, оказывается возможным получить предельную кривую разрушения легко и эффективно и определить предел разрушения с высокой точностью прогнозирования. Посредством этого примера риск разрушения при прессовании или повреждении может быть оценен количественно, тем самым делая возможной эффективную и очень точную разработку автомобильного кузова, оптимизированную по материалу, формовке и конструкции кузова.

Пример 4

[0114] На фиг.34 показана блок-схема основной структуры устройства получения предела разрушения в соответствии с примером 2. Следует отметить, что использованы те же самые позиции компонентов, что и на фиг.32 примера 1, и поэтому подробные их пояснения опущены. Это устройство получения предела разрушения предназначено для определения предела разрушения стального листа в процессе, включающем в себя одну или более вариаций траектории деформирования относительно стального листа, и структурировано включающим в себя первый блок 11 оценки, оценивающий предельную кривую разрушения в пространстве деформаций на траектории пропорционального нагружения, блок 1 преобразования, преобразующий полученную предельную кривую разрушения в пространстве деформаций в предельную кривую разрушения в пространстве напряжений, и блок 2 отображения, отображающий предельную кривую разрушения в пространстве напряжений, полученную блоком 1 преобразования, как ДПД по напряжению.

[0115] Первый блок 11 оценки использует приближенное уравнение

[Уравнение 41]

кривой напряжение-деформация, полученной в результате испытания на одноосное растяжение, модель локализованного утонения

[Уравнение 42]

и модель размытого утонения

[Уравнение 43]

в комбинации для получения предела возникновения утонения в пространстве деформаций и тем самым оценивает предельную кривую разрушения в пространстве деформаций на траектории пропорционального нагружения, как описано выше.

[0116] Фиг.35 представляет собой блок-схему последовательности операций, показывающую этапы способа получения предела разрушения в соответствии с примером 1. Вначале пользователь вводит материал и значения механических свойств (t, YP, TS, El, U.El, значение r, формулу упрочнения n-ой степени/формулу упрочнения Свифта) тонкой пластины.

[0117] Первый блок 11 оценки оценивает предельную кривую разрушения в пространстве деформаций на траектории пропорционального нагружения, исходя из значений механических свойств, введенных пользователем (этап S11).

[0118] Затем блок 1 преобразования преобразует предельную кривую разрушения в пространстве деформаций, оцененную первым блоком 11 оценки, в предельную кривую разрушения в пространстве напряжений, используя формулу упрочнения n-ой степени/формулу упрочнения Свифта, введенную в качестве механических свойств, и, например, функцию текучести Мизеса или ей подобную (этап S12). Затем предельная кривая разрушения в пространстве напряжений, полученная на этапе S1, отображается как ДПД по напряжению на блоке 2 отображения (этап S13).

[0119] Кроме того, способ может также быть организован так, что ДПД по деформации оценивается из базы данных (t, YP, TS, El, U.El, значение r, множественные линейные данные деформация-напряжение) значений испытуемой партии, и ДПД по напряжению рассчитывается по значениям испытуемой партии (верхнее предельное значение и нижнее предельное значение в дисперсии распределения качества в пределах заданного стандарта, а также среднее значение в дисперсии распределения качества).

[0120] Как показано выше, в соответствии с этим примером при определении предела разрушения стального листа в процессе, включающем в себя одну или более вариаций траектории деформирования, оказывается возможным получить предельную кривую разрушения легко и эффективно и определить предел разрушения с высокой точностью прогнозирования. Посредством этого примера риск разрушения при прессовании или повреждении может быть оценен количественно, тем самым делая возможной эффективную и очень точную разработку автомобильного кузова, оптимизированного по материалу, формовке и конструкции кузова.

Пример модификации

[0121] Ниже будет пояснен пример модификации примера 2. В этом примере модификации, как показано на фиг.36, в устройстве получения предела разрушения из примера 2 предусмотрен второй блок 12 оценки вместо первого блока 11 оценки.

[0122] Второй блок 12 оценки оценивает предельную кривую разрушения в пространстве деформаций на траектории пропорционального нагружения, подобно первому блоку 11 оценки, и получает, как описано выше, предел возникновения утонения в пространстве деформаций, используя приближенное уравнение

[Уравнение 44]

или

кривой напряжение-деформация, полученной в результате испытания на одноосное растяжение, уравнение состояния, в котором направление тензора приращения пластической деформации зависит от тензора приращения напряжения по закону приращения пластической деформации, параметр Kc материала, определяющий направление тензора приращения пластической деформации, и модель локализованного утонения Сторен-Райса, и оценивает предельную кривую разрушения в пространстве деформаций на траектории пропорционального нагружения. Здесь второй блок 12 оценки идентифицирует, как описано выше, параметр Kc материала, исходя из одного или более измеренных значений главной деформации ε₁ предела разрушения и второстепенной деформации ε₂ предела разрушения.

[0123] Как показано выше, в соответствии с этим примером может быть гарантирована лучшая и адекватная точность прогнозирования разрушения по сравнению с примером 2, и предельная кривая разрушения может быть получена более легко и эффективно, тем самым позволяя определять предел разрушения с высокой точностью прогнозирования.

Другие варианты реализации, использующие первый, второй варианты реализации

[0124] Функции соответствующих компонентов (кроме блока 4 отображения), составляющих устройства прогнозирования разрушения в соответствии с вышеописанными примерами и им подобными, могут быть реализованы при работе программного продукта, сохраненного в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) или постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) компьютера. Аналогично, соответствующие этапы способа прогнозирования разрушения и способа получения предела разрушения (этапы S1-S6 на фиг.23, этапы S11-S14 на фиг.24 и т.д., этапы S1 и S2 на фиг.33, этапы S11-S13 на фиг.35 и т.д.) могут быть реализованы при работе программного продукта, сохраненного в ОЗУ или ПЗУ компьютера. Этот программный продукт и считываемый компьютером носитель информации, несущий этот программный продукт, включены в настоящее изобретение.

[0125] Конкретнее, вышеупомянутый программный продукт вводится в компьютер посредством записи на носитель информации, такой как, например, ПЗУ на компакт-диске (CD-ROM), или посредством передачи через среды передачи различных типов. В качестве носителя информации, несущего программный продукт, кроме CD-ROM, возможно использовать гибкий диск, жесткий диск, магнитную ленту, магнитооптический диск, энергонезависимую карту памяти или тому подобное. С другой стороны, в качестве среды передачи программного продукта может использоваться канал связи в сетевой компьютерной системе для поставки программной информации посредством распространения несущей волны. В данном случае компьютерная сеть представляет собой локальную сеть (LAN), глобальную сеть (WAN), такую как Интернет, сеть радиосвязи или тому подобное, а канал связи представляет собой проводную линию, такую как оптическое волокно, беспроводную линию или тому подобное.

[0126] Кроме того, программный продукт, включенный в настоящее изобретение, представляет собой не только тот, когда функции согласно вышеописанным вариантам реализации реализуются при выполнении компьютером поставленного программного продукта. Например, когда программный продукт взаимодействует с OS (операционной системой), другим приложением или тому подобным, работающим(ей) на компьютере для реализации функций согласно вышеописанным вариантам реализации, такой программный продукт также включен в настоящее изобретение. Кроме того, когда вся или часть обработки поставляемого программного продукта выполняется платой аппаратного расширения функций или блоком расширения функций компьютера для реализации функций согласно вышеописанным вариантам реализации, такой программный продукт также включен в настоящее изобретение.

[0127] Например, на фиг.37 показана схематическая диаграмма внутренней структуры персонального пользовательского терминального устройства. На фиг.37 цифра 1200 обозначает персональный компьютер (ПК), включающий в себя ЦП (центральный процессор) 1201. ПК 1200 выполняет управляющее устройством программное обеспечение, которое сохранено в ПЗУ 1202 или на жестком диске (ЖД) 1211 или поставляется с дисковода гибких дисков (ГД) 1212. Этот ПК 1200 управляет устройствами, присоединенными к системной шине 1204.

[0128] Посредством ЦП 1201 ПК 1200 и программного продукта, сохраненного в ПЗУ 1202 или на жестком диске (ЖД) 1211, реализуются процедуры или тому подобное этапов S1-S6 на фиг.23 примера и этапы S11-S14 на фиг.24, этапы S1 и S2 на фиг.33, этапы S11-S13 на фиг.35.

[0129] Номер 1203 обозначает ОЗУ, которое функционирует как основная память, рабочая область или тому подобное для ЦП 1201. Номер 1205 обозначает контроллер клавиатуры (КKB), который управляет вводом команд с клавиатуры (KB) 1209, непоказанного устройства или тому подобного.

[0130] Номер 1206 обозначает контроллер электронно-лучевой трубки (КЭЛТ), который управляет отображением на дисплее 1210 с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). Номер 1207 обозначает контроллер диска (КД). КД 1207 управляет доступом к жесткому диску (ЖД) 1211, хранящему загрузочную программу, множество приложений, редактирующие файлы, пользовательские файлы, программу администрации сети и т.п., и к гибкому диску (ГД) 1212. В данном случае загрузочная программа является программой начальной загрузки, т.е. программой, запускающей выполнение (работу) аппаратных средств и/или программного обеспечения персонального компьютера.

[0131] Номер 1208 обозначает сетевую интерфейсную плату (СИП) и выполняет двунаправленный обмен данными через LAN 1220 с сетевым принтером, другим сетевым устройством или другим ПК.

Промышленная применимость

[0132] В соответствии с настоящим изобретением, прогнозируя наличие возникновения разрушения в тонкой пластине в процессе, включающем в себя одну или более вариаций траектории деформирования, оказывается возможным получить предельную кривую разрушения легко и эффективно и спрогнозировать наличие возникновения разрушения с высокой точностью прогнозирования. Таким образом, риск разрушения при прессовании или повреждении может быть оценен количественно, тем самым реализуя эффективную и высокоточную разработку автомобильного кузова, оптимизированную по материалу, формовке и конструкции кузова.

Изобретение относится к способу прогнозирования разрушения тонкой пластины, выполненной из металлического материала, в качестве критерия определения разрушения в случае разрушения материала автомобильной детали, подвергнутой прессованию (штамповке). Технический результат заключается в осуществлении эффективной и высокоточной разработки кузовов автомобилей, оптимизации количества материала, используемого в процессе формовки, и повышении безопасности при аварии. Способ прессования детали кузова автомобиля с использованием тонкой пластины заключается в предварительном определении возникновения разрушения в тонкой пластине в процессе пластического деформирования и последующем прессовании детали кузова автомобиля с учетом результатов определения возникновения разрушения в тонкой пластине. Этап выполнения прогнозирования разрушения включает процедуру преобразования предельной кривой разрушения в пространстве деформаций в предельную кривую разрушения в пространстве напряжений; процедуру прогнозирования наличия возникновения разрушения с использованием полученной предельной кривой разрушения в пространстве напряжений и процедуру обеспечения полученного результата определения разрушения материала в процессе повреждения. 21 з.п. ф-лы, 37 ил., 6 табл.

1. Способ прессования детали кузова автомобиля с использованием тонкой пластины, выполненной из металлического материала, включающий в себя, при определении возникновения разрушения в тонкой пластине в процессе пластического деформирования в соответствии с одной или более вариациями траектории деформирования:
этап выполнения прогнозирования разрушения, включающий
процедуру преобразования предельной кривой разрушения в пространстве деформаций в предельную кривую разрушения в пространстве напряжений;
процедуру прогнозирования наличия возникновения разрушения с использованием полученной предельной кривой разрушения в пространстве напряжений;
процедуру обеспечения полученного результата определения возникновения разрушения в тонкой пластине для определения разрушения материала в процессе повреждения, и
этап обеспечения результата прогнозирования разрушения для прессования детали кузова автомобиля с использованием тонкой пластины.

2. Способ по п.1, в котором при процедуре прогнозирования наличия возникновения разрушения условия деформирования тонкой пластины оценивают численным анализом, полученную деформацию преобразуют в напряжение и наличие возникновения разрушения оценивают количественно с использованием предельной кривой разрушения в пространстве напряжений.

3. Способ по п.2, в котором при прогнозировании возникновения разрушения в тонкой пластине, соответствующего каждому из множества процессов пластического деформирования, оцененные численным анализом условия деформирования тонкой пластины в процессе пластического деформирования на предшествующей стадии вводят в качестве начальных условий численного анализа в процессе пластического деформирования на последующей стадии.

4. Способ по п.3, в котором условиями деформирования тонкой пластины являются толщина тонкой пластины и эквивалентная пластическая деформация или же толщина, эквивалентная пластическая деформация, тензор напряжения и тензор деформации.

5. Способ по п.3 или 4, в котором процесс пластического деформирования на предшествующей стадии является процессом формовки тонкой пластины, а процесс пластического деформирования на последующей стадии является процессом повреждения тонкой пластины.

6. Способ по п.1, в котором при процедуре преобразования в предельную кривую разрушения в пространстве напряжений предельную кривую разрушения в пространстве деформаций получают из эксперимента.

7. Способ по п.1, в котором при процедуре преобразования в предельную кривую разрушения в пространстве напряжений предельную кривую разрушения в пространстве деформаций оценивают теоретически по значениям механических свойств.

8. Способ по п.7, в котором для получения предельной кривой разрушения в пространстве напряжений преобразуют линию начала утонения в пространстве деформаций в пространство напряжений.

9. Способ по п.1, в котором при процедуре прогнозирования возникновения разрушения деформацию, полученную из условий деформирования тонкой пластины, оцененных с помощью эксперимента, преобразуют в напряжение и наличие возникновения разрушения оценивают количественно с использованием предельной кривой разрушения в пространстве напряжений.

10. Способ по п.2, в котором в качестве метода численного анализа используют метод конечных элементов.

11. Способ по п.10, в котором, когда в качестве метода численного анализа используют явный динамический метод как один из методов конечных элементов, пластическую деформацию, полученную этим явным динамическим методом, преобразуют в напряжение и сравнивают с предельной кривой разрушения в пространстве напряжений.

12. Способ по п.1, в котором при процедуре прогнозирования возникновения разрушения численный анализ выполняют с учетом зависимости скорости деформационного напряжения тонкой пластины, преобразуют пластическую деформацию, полученную в результате численного анализа, для расчета напряжения при эталонной скорости деформации и это напряжение сравнивают с предельной кривой разрушения в пространстве напряжений, соответствующем эталонной скорости деформации.

13. Способ по п.1, в котором прогнозирование разрушения материала определяют, используя критерий, полученный преобразованием коэффициента раздачи отверстия, полученного в результате испытания на раздачу отверстия, в пространство напряжений.

14. Способ по п.1, в котором при преобразовании предельной кривой разрушения в пространстве деформаций в предельную кривую разрушения в пространстве напряжений используют принцип нормальности приращения пластической деформации, по которому направление приращения пластической деформации определяется в направлении, перпендикулярном изогнутой поверхности текучести.

15. Способ по п.14, в котором при использовании принципа нормальности приращения пластической деформации используют выражение эквивалентной пластической деформации ε_eq и каждой компоненты деформации ε_ij
уравнение 1
.

16. Способ по любому из пп.1, 14 и 15, в котором при получении предельной кривой разрушения в пространстве деформаций на траектории пропорционального нагружения, после того как множество коэффициентов плоской деформации для тонкой пластины получены посредством эксперимента с пропорциональным нагружением, используют измеренные значения главной деформации ε₁ предела разрушения и второстепенной деформации ε₂ предела разрушения в каждом из коэффициентов деформации.

17. Способ по любому из пп.1, 14 и 15, в котором при получении предельной кривой разрушения в пространстве деформаций на траектории пропорционального нагружения используют
уравнение 2
приближенное уравнение

кривой напряжение-деформация, полученной в результате испытания на одноосное растяжение,
модель локализованного утонения

и
модель размытого утонения
,
в комбинации для получения предела возникновения утонения в пространстве деформаций.

18. Способ по любому из пп.1, 14 и 15, в котором при получении предельной кривой разрушения в пространстве деформаций на траектории пропорционального нагружения используют
уравнение 3
приближенное уравнение
или
кривой напряжение-деформация, полученной в результате испытания на одноосное растяжение,
уравнение состояния, в котором направление тензора приращения пластической деформации зависит от тензора приращения напряжения по закону приращения пластической деформации,
параметр Кс материала, определяющий направление тензора приращения пластической деформации, и
модель локализованного утонения Сторен-Райса
для получения предела возникновения утонения в пространстве деформаций.

19. Способ по п.18, в котором параметр Кс материала устанавливают, исходя из одного или более измеренных значений главной деформации ε₁ предела разрушения и второстепенной деформации ε₂ предела разрушения.

20. Способ по п.17, в котором с пределом возникновения утонения в качестве опорного используют
толщину t₀ (мм) тонкой пластины,
кривую напряжение-деформация, полученную в результате испытания на одноосное растяжение, и
уравнение 4
уравнение коррекции на толщину

для получения предельной деформации разрушения в пространстве деформаций.

21. Способ по п.14 или 15, в котором деформацию растяжения, полученную в результате испытания на раздачу отверстия, преобразуют в пространство напряжений и разрушение определяют в пространстве напряжений.

22. Способ по п.1, в котором тонкая пластина выполнена из высокопрочного материала с прочностью на растяжение в 440 МПа (мегапаскалей) или выше.