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、航空航天、裝備制造業(yè)零部件生產(chǎn)的塑性成形工藝，成形極限是評價成形零件質(zhì)量好壞和工藝設(shè)計優(yōu)劣的重要指標，準確與否對成形工藝設(shè)計至關(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)進行理論計算或試驗測試獲取的，然而，實際沖壓成形過程中的材料所經(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，一個滑移方向的塑性變形會影響晶體其它方向的后續(xù)變形，應(yīng)變路徑變化對材料行為尤其足強化特性和

2、成形極限有著顯著的影響。因此，對非線性應(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，對于提高成形性評價準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，開展了預(yù)應(yīng)變加載條件下的成形極限理論與計算方法、連續(xù)應(yīng)變路徑變化條件下的成形極限試驗測試方法和數(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內(nèi)容和所取得的研究成果如下:
　　(1)針對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算方法。在理論計算中，當(dāng)采用復(fù)雜的材料本構(gòu)模型時，往往難以得到直接的解析結(jié)果，此時，采用基于溝槽缺陷假設(shè)的M-K模型成為計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算產(chǎn)生振蕩，造成塑性應(yīng)變率比達不到臨界收斂值的問題，為了克服這一問題，在非線性方程組的迭代求解中引入了一個回溯算子，對迭代步長進行相應(yīng)的縮放，有效的抑制和消除了迭代計算過程中的振蕩和不收斂問題，使得基于M-K模型的成形極限計算更易于得到收斂的結(jié)果。同時，采用文中的方法對鋁合金板Al2008-T4在雙段線性應(yīng)變

5、路徑條件下的成形極限進行了計算，結(jié)果表明，計算結(jié)果與成形極限試驗曲線吻合良好，較為準確的預(yù)測了預(yù)應(yīng)變對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價指標Fsp，為準確判斷連續(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)，為驗證該成形性評價指標的準確性，基于拉延成形工藝中材料的變形模式，設(shè)計了拉延-反拉延成形極限試驗裝置，通過試驗研究了采用DIC技術(shù)獲取板料成形過程中實時應(yīng)變路徑的方法和成形極

6、限應(yīng)變狀態(tài)的判斷方法。測量得到的板料初始失效點的應(yīng)變路徑數(shù)據(jù)表明，拉延-反拉延成形極限試驗裝置成功的實現(xiàn)了薄板成形過程中應(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中板料的變形特點，修正了極限拱頂高評價指標，定量地分析了試樣形狀和工藝條件對拉延-反拉延成形極限試驗過程中應(yīng)變路徑和修正的極限拱頂高評價指標的

7、影響，依據(jù)測量得到的試樣初始失效點應(yīng)變路徑試驗數(shù)據(jù)驗證了所提出的連續(xù)應(yīng)變路徑變化條件下的薄板成形性評價指標的準確性。
　　(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，該模型通過引入反映材料變形過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)變化對各向同性硬化和隨動硬化模量的影響，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的包辛格效應(yīng)和正

8、交應(yīng)變路徑變化時的交叉硬化效應(yīng)，彌補了標準的各向同性-隨動強化組合模型存在沒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。編寫了二次開發(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)模型對拉延-反拉延成形極限試驗和先進高強度鋼的扭曲回彈進行了數(shù)值模擬仿真，得到的結(jié)果和相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)比較表明，考慮了潛在硬化效應(yīng)的強化模型結(jié)合先進的各向異性屈服準則提高了數(shù)值模擬的精度。
　

9、　(4)分析了溫度和應(yīng)變率對22MnB5超高強度鋼的材料特性和力學(xué)行為的影響，引入Logistic方程對熱成形板料塑性各向異性特性的溫度相關(guān)性進行描述，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)方程對板料在高溫奧氏體條件下的流動行為描述與試驗結(jié)果一致;基于M-K模型，計算得到了恒溫常應(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，板料的成形性提高，當(dāng)應(yīng)變率增加時，成形極限