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电沉积镍涂层钢板的界面结合强度和成形性能分析

作　者: 张焕
导　师: 周里群
学　校: 湘潭大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 电沉积镍涂层成形性能界面结合强度杯突试验法划痕法
分类号: TG174.44
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 82次
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内容摘要

电沉积镍涂层钢板冲制成电池钢壳要经过多道工序,因此要求钢板具有较高的抗拉强度和延伸率,不会产生钢带断裂现象。同时,人们对镍涂层可靠性和使用寿命提出越来越高的要求,而镍涂层与基体的结合性能在很大程度上决定了涂层应用的可靠性和使用寿命。本论文采用理论分析和数值模拟对电沉积镍涂层钢板的界面结合强度及成形性能两个方面进行了研究,其主要内容如下:1、采用有限元法平面模型进行了模拟计算,得到了涂层与基体在界面上的应力场与应变场。计算结果表明,在冲压过程中,界面上的应力大小、拉压性质都是变化的,正应力在-10~10MPa之间,剪应力在-20~30MPa之间,并且涂层与基体的应变在变形过程中是比较匹配的。2、基于杯突试验法(埃里克森实验)的原理,运用板料的塑性成形理论,系统阐述和讨论了镍涂层钢板成形一般分析过程。本文建立了结合Mises屈服准则的双摩擦系数状态下的拉伸力学模型;推导了板料拉伸过程中的几何关系、钢板和涂层的应力应变关系;讨论了成形过程中凸缘变形区、凹模圆角区的应力状态和冲压力。3、运用显示动力算法对电沉积镍涂层钢板成形过程进行了模拟,得到了镍涂层和钢基体的应力场、应变场和厚度变化情况,结果显示当板料出现断裂时,镍涂层和钢基体的厚度变薄率分别达到了54%和52%;并对界面应力进行了分析后发现:界面的剪应力值在-4~6MPa之间,正应力值在-30~0.2MPa之间,界面剪应力和正应力值最大地方在凹模圆角处。4、采用Clift等人提出的韧性断裂准则与有限元分析软件相结合的原理,我们预测了镍涂层厚度为0.01mm、钢基体厚度为0.25mm的电沉积镍涂层钢板的IE值(12.5),并在LS-DYNA后处理器中形成成形极限图与Clift等人提出的韧性断裂准则所计算的结果进行比较,发现他们两者的数据基本一致。5、基于划痕试验法的原理,运用李和谢费的滑移线场理论,建立了涂层-基体界面结合力的理论计算方法,计算出0.01~0.09mm厚电沉积镍涂层的界面结合力,其数值为5.4~48.6N/mm,并运用有限元软件对该涂层的划痕过程进行了仿真,两者结果比较发现该解析解和有限元数值解有较好的一致性。通过本论文的研究,得到了电沉积镍涂层钢板的界面结合强度与成形性能,对电沉积镍涂层钢板的成形加工具有一定的指导作用。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章绪论  10-16
  1.1 引言  10
  1.2 电沉积镍涂层冲压过程中存在的两个关键问题  10-12
    1.2.1 电沉积镍涂层的界面结合强度问题  10-11
    1.2.2 电沉积镍涂层的成形性能问题  11-12
  1.3 国内外冲压成形数值模拟的发展状况  12-14
  1.4 本文研究内容及意义  14-16
第2章有限元数值分析基本理论及相关软件的介绍  16-30
  2.1 引言  16
  2.2 有限元法的基本思想  16
  2.3 有限元法分类  16-19
    2.3.1 线弹性有限元法  16-17
    2.3.2 非线性有限元法  17-19
  2.4 弹塑性有限元法理论基础  19-24
    2.4.1 运动与变形的物质描述  19-21
    2.4.2 屈服准则  21-22
    2.4.3 弹塑性本构关系  22-23
    2.4.4 虚功方程  23-24
  2.5 接触问题的有限元理论  24-28
    2.5.1 有限元基本形式  24-25
    2.5.2 接触点的柔度方程  25
    2.5.3 坐标转换  25-26
    3.5.4 接触点的相容方程及增量形式  26-28
  2.6 有限元软件介绍  28-29
  2.7 本章小结  29-30
第3章电沉积镍涂层冲压界面特性  30-42
  3.1 引言  30
  3.2 电沉积镍涂层的微观界面  30-32
  3.3 电沉积镍涂层冲压过程的建模及网格的划分  32-33
  3.4 电沉积镍涂层冲压界面特性  33-41
    3.4.1 内侧界面特性  33-37
    3.4.2 外侧界面特性  37-41
  3.5 本章小结  41-42
第4章基于杯突试验法的成形性能分析  42-71
  4.1 引言  42-43
  4.2 基于杯突试验法的冲压成形的理论解及分析  43-51
    4.2.1 几何模型  43-44
    4.2.2 镍涂层与钢基体的应力应变关系  44-45
    4.2.3 凸缘变形区的应力  45-47
    4.2.4 凹模圆角区的应力  47-49
    4.2.5 计算结果与分析  49-51
  4.3 基于杯突试验法冲压成形的有限元模拟  51-70
    4.3.1 单元和材料模型的选择  51-52
    4.3.2 接触和摩擦的处理  52-53
    4.3.3 沙漏控制技术  53
    4.3.4 有限元模型的建立和网格的划分  53-55
    4.3.5 模拟结果分析  55-70
  4.4 本章小结  70-71
第5章基于划痕法的电沉积镍涂层的界面分析  71-84
  5.1 引言  71
  5.2 基于划痕法的电沉积镍涂层界面解析过程  71-75
    5.2.1 基本假设及求解  71-73
    5.2.2 滑移线场模型的力学分析  73-74
    5.2.3 结果分析  74-75
  5.3 利用ANSYS 软件进行有限元仿真及验证  75-83
    5.3.1 材料模型的建立  75-77
    5.3.2 切屑成形分离标准的确定  77
    5.3.3 建立有限元模型  77-78
    5.3.4 定义接触  78-79
    5.3.5 施加约束及载荷  79
    5.3.6 仿真结果及分析  79-83
  5.4 本章小结  83-84
总结与展望  84-86
参考文献  86-89
致谢  89-90
附录（攻读硕士期间发表的论文）  90

电沉积镍涂层钢板的界面结合强度和成形性能分析

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