基于能量原理的非線性硬化模型研究及其板料沖壓回彈預測驗證.pdf

1、在對提高板料沖壓成形數(shù)值模擬準確性的研究中，材料本構模型研究一直比較活躍。近年來由于綠色減排的環(huán)保需求，雙相鋼因其輕量高強度等優(yōu)良性能而受到廣泛關注，但是同時其回彈預測難度增大，需要合理的材料模型描述其在加工過程中的材料性能演化。對于材料塑性變形這種不可逆過程，能量原理已被認為是建立其演化方程的理論基礎。但由于傳統(tǒng)理論主要關注形式上的完備性，缺乏對材料行為建模關鍵概念的考量，因此對實際建立材料模型的幫助有限。而隨著材料模型愈加復雜，若沒

2、有能量原理的幫助，無論是改進已有模型還是提出新的模型，都將十分困難。
　　本文主要目的是補充修正關于金屬彈塑性變形過程的能量極值原理，為其常見硬化行為建立統(tǒng)一的模型框架。這不僅將眾多基于特定情況而獨立產(chǎn)生的硬化模型進行統(tǒng)一，促進對其之間關系的理解，還可為建立新的模型提供必要幫助，尤其有助于建立描述高強度雙相鋼循環(huán)加載性能的硬化模型。在國家自然科學基金(51075269)的支持下，完成了如下研究內容。
　　通過關于非線性運動硬

3、化模型能量極值原理研究的回顧以及對硬化過程中機械耗散表達的分析，提出了修正機械耗散極值原理，完成了對考慮非線性運動與各向同性硬化的彈塑性本構方程的建立。進而從能量角度出發(fā)，對應變型內變量的分解、屈服函數(shù)凸性以及未基于能量原理的關聯(lián)流動理論的缺陷進行了討論，并證明了修正機械耗散極值原理在考慮內變量分量疊加以及靜水壓力相關屈服情況下的有效性。
　　通過從能量角度對硬化過程的分析，指明了新引入的硬化乘子的含義，并建立控制函數(shù)這一描述材料

4、硬化行為的重要概念。以此為基礎，將眾多獨立產(chǎn)生的硬化模型，統(tǒng)一到了同一框架內，揭示了其內在聯(lián)系。借助控制函數(shù)，分析了非線性運動硬化模型中兩種基礎結構之間的理論與行為差異，并對經(jīng)典塑性理論進行了有益的補充。通過控制函數(shù)的類比，建立了NSK Swift非飽和運動硬化模型。另外，借助所建立的硬化框架，指出了在運動硬化模型中引入非飽和特征的三種方式，可以單屈服面單背應力實現(xiàn)對永久軟化現(xiàn)象的描述，并從能量角度為該現(xiàn)象提供了解釋。
　　回顧在

5、硬化模型中引入塑性變形累積效果的不同方式，并對其各自特點進行了分析。借助所建立的硬化框架，從理論角度指出受到廣泛關注的Yoshida-Uemori模型的本質以及需要注意的局限。給出了在運動硬化模型中引入塑性變形累積效果的兩種方式，并以因素相加方式對NSK Swift模型進行修正，使其可以進一步描述循環(huán)加載中的硬化遲滯現(xiàn)象。
　　基于提出的硬化框架，給出率形式彈塑性本構方程全隱式積分方案的實現(xiàn)流程以及適用于平面應力殼單元的映射轉換方

6、法。同時對多種擴展情況的處理方式進行了分析。對模型材料參數(shù)確定方式的討論表明，基于控制函數(shù)的參數(shù)轉換，體現(xiàn)出了合理選擇控制函數(shù)反應材料性能演化的優(yōu)勢。使用該方法獲得材料參數(shù)的NSK Swift模型，對拉壓加載時具有非飽和及永久軟化現(xiàn)象的高強度雙相鋼DP600，表現(xiàn)出良好的描述特性。
　　通過對不同應變范圍多次循環(huán)加載下的本構響應比較，表明NSK Swift模型能夠合理反映高強度雙相鋼DP600與DP780在循環(huán)加載下的性能變化。由

7、于此時控制函數(shù)可以正確地反映材料性能，NSK Swift模型可以僅采用單向拉伸實驗數(shù)據(jù)用于參數(shù)確定。在使用非均勻拉深筋的U型沖壓件回彈預測(DP780)，以及Numisheet2005 Benchmark2車底橫梁成形回彈與厚度預測(DP600，DP965)中，NSK Swift模型對雙相鋼采用單向拉伸數(shù)據(jù)確定參數(shù)并提供了良好的預測結果，表現(xiàn)出對其硬化良好的描述性能。NSK Swift模型的性能特征以及參數(shù)確定方式，使其在雙相鋼板料的成