非線性應(yīng)變路徑下金屬薄板的成形極限研究.pdf

1、金屬薄板沖壓成形是一種廣泛用于汽車(chē)、航空航天、裝備制造業(yè)零部件生產(chǎn)的塑性成形工藝，成形極限是評(píng)價(jià)成形零件質(zhì)量好壞和工藝設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)，準(zhǔn)確與否對(duì)成形工藝設(shè)計(jì)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的成形極限圖是基于線性應(yīng)變路徑假設(shè)進(jìn)行理論計(jì)算或試驗(yàn)測(cè)試獲取的，然而，實(shí)際沖壓成形過(guò)程中的材料所經(jīng)歷的多為非線性應(yīng)變路徑狀態(tài)，在復(fù)雜的非線性加載路徑條件下，由晶體塑性變形理論，一個(gè)滑移方向的塑性變形會(huì)影響晶體其它方向的后續(xù)變形，應(yīng)變路徑變化對(duì)材料行為尤其足強(qiáng)化特性和

2、成形極限有著顯著的影響。因此，對(duì)非線性應(yīng)變路徑條件下的材料本構(gòu)模型和成形極限進(jìn)行研究，探索預(yù)應(yīng)變加載條件下的成形極限理論，分析熱沖壓工藝條件下的成形極限，對(duì)于提高成形性評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度及其在金屬塑性成形工藝中的工程應(yīng)用具有重要意義。
　　本文圍繞非線性應(yīng)變路徑變化條件下金屬薄板的成形極限，開(kāi)展了預(yù)應(yīng)變加載條件下的成形極限理論與計(jì)算方法、連續(xù)應(yīng)變路徑變化條件下的成形極限試驗(yàn)測(cè)試方法和數(shù)值模擬分析，熱沖壓工藝條件下的成形極限及其在熱成形工藝

3、中的應(yīng)用等方面的研究。本論文完成的主要研究?jī)?nèi)容和所取得的研究成果如下:
　　(1)針對(duì)Swift分散性失穩(wěn)理論和Hill集中性失穩(wěn)理論受到線性應(yīng)變路徑假設(shè)條件約束的問(wèn)題，建立了變應(yīng)變路徑條件下材料失穩(wěn)的約束方程，并基于該約束方程，提出了適用于含預(yù)應(yīng)變加載條件的雙段線性應(yīng)變路徑成形極限理論與計(jì)算方法。在理論計(jì)算中，當(dāng)采用復(fù)雜的材料本構(gòu)模型時(shí)，往往難以得到直接的解析結(jié)果，此時(shí)，采用基于溝槽缺陷假設(shè)的M-K模型成為計(jì)算非比例加載條件下的

4、板料成形極限的合理選擇，然而，材料本構(gòu)模型中高次屈服函數(shù)的引入易使得M-K模型中力平衡條件和幾何相容條件組成的非線性方程組的求解計(jì)算產(chǎn)生振蕩，造成塑性應(yīng)變率比達(dá)不到臨界收斂值的問(wèn)題，為了克服這一問(wèn)題，在非線性方程組的迭代求解中引入了一個(gè)回溯算子，對(duì)迭代步長(zhǎng)進(jìn)行相應(yīng)的縮放，有效的抑制和消除了迭代計(jì)算過(guò)程中的振蕩和不收斂問(wèn)題，使得基于M-K模型的成形極限計(jì)算更易于得到收斂的結(jié)果。同時(shí)，采用文中的方法對(duì)鋁合金板Al2008-T4在雙段線性應(yīng)變

5、路徑條件下的成形極限進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，計(jì)算結(jié)果與成形極限試驗(yàn)曲線吻合良好，較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了預(yù)應(yīng)變對(duì)材料成形極限曲線的影響。
　　(2)提出了包含應(yīng)變路徑加載歷史的全新成形極限評(píng)價(jià)指標(biāo)Fsp，為準(zhǔn)確判斷連續(xù)應(yīng)變路徑變化條件下的金屬薄板成形性提供了科學(xué)的依據(jù)，為驗(yàn)證該成形性評(píng)價(jià)指標(biāo)的準(zhǔn)確性，基于拉延成形工藝中材料的變形模式，設(shè)計(jì)了拉延-反拉延成形極限試驗(yàn)裝置，通過(guò)試驗(yàn)研究了采用DIC技術(shù)獲取板料成形過(guò)程中實(shí)時(shí)應(yīng)變路徑的方法和成形極

6、限應(yīng)變狀態(tài)的判斷方法。測(cè)量得到的板料初始失效點(diǎn)的應(yīng)變路徑數(shù)據(jù)表明，拉延-反拉延成形極限試驗(yàn)裝置成功的實(shí)現(xiàn)了薄板成形過(guò)程中應(yīng)變路徑的典型變化，得到的連續(xù)應(yīng)變路徑變化模式包括:單軸拉伸-平面應(yīng)變轉(zhuǎn)變模式、等雙軸拉伸-平面應(yīng)變轉(zhuǎn)變模式、平面應(yīng)變-等雙軸拉伸-平面應(yīng)變轉(zhuǎn)變模式?；诶?反拉延成形極限試驗(yàn)中板料的變形特點(diǎn)，修正了極限拱頂高評(píng)價(jià)指標(biāo)，定量地分析了試樣形狀和工藝條件對(duì)拉延-反拉延成形極限試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變路徑和修正的極限拱頂高評(píng)價(jià)指標(biāo)的

7、影響，依據(jù)測(cè)量得到的試樣初始失效點(diǎn)應(yīng)變路徑試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所提出的連續(xù)應(yīng)變路徑變化條件下的薄板成形性評(píng)價(jià)指標(biāo)的準(zhǔn)確性。
　　(3)建立了考慮非線性應(yīng)變路徑引起的材料潛在硬化(Latent Hardening)效應(yīng)的各向異性本構(gòu)模型，該模型通過(guò)引入反映材料變形過(guò)程加載路徑變化的內(nèi)變量，分別考慮了非線性應(yīng)變路徑加載中材料微結(jié)構(gòu)變化對(duì)各向同性硬化和隨動(dòng)硬化模量的影響，反映了材料特性的應(yīng)變路徑相關(guān)性，能夠表征材料在反向加載時(shí)的包辛格效應(yīng)和正

8、交應(yīng)變路徑變化時(shí)的交叉硬化效應(yīng)，彌補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)的各向同性-隨動(dòng)強(qiáng)化組合模型存在沒(méi)有考慮因非比例加載路徑變化引起的潛在硬化效應(yīng)的缺陷。編寫(xiě)了二次開(kāi)發(fā)材料子程序UMAT將該模型集成到薄板成形有限元數(shù)值模擬軟件LS-DYNA中。采用文中建立的各向異性本構(gòu)模型對(duì)拉延-反拉延成形極限試驗(yàn)和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的扭曲回彈進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，得到的結(jié)果和相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較表明，考慮了潛在硬化效應(yīng)的強(qiáng)化模型結(jié)合先進(jìn)的各向異性屈服準(zhǔn)則提高了數(shù)值模擬的精度。
　

9、　(4)分析了溫度和應(yīng)變率對(duì)22MnB5超高強(qiáng)度鋼的材料特性和力學(xué)行為的影響，引入Logistic方程對(duì)熱成形板料塑性各向異性特性的溫度相關(guān)性進(jìn)行描述，構(gòu)建了熱成形工藝條件下的塑形各向異性材料本構(gòu)模型，研究結(jié)果表明，所建立的本構(gòu)方程對(duì)板料在高溫奧氏體條件下的流動(dòng)行為描述與試驗(yàn)結(jié)果一致;基于M-K模型，計(jì)算得到了恒溫常應(yīng)變率穩(wěn)態(tài)條件下的成形極限曲線，結(jié)果表明，在考慮的工藝條件范圍內(nèi)，當(dāng)溫度升高時(shí)，板料的成形性提高，當(dāng)應(yīng)變率增加時(shí)，成形極限