金屬薄板介觀尺度成形極限建模與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、具有微細(xì)特征的金屬薄板件在燃料電池、微散熱器、微反應(yīng)器等產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用。隨著特征尺度的降低，微細(xì)成形工藝中出現(xiàn)了有別于傳統(tǒng)加工的尺度效應(yīng)現(xiàn)象：薄板材料易產(chǎn)生不均勻變形和過早的應(yīng)變集中，成形極限出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)且重復(fù)性變差，斷面失效模式也發(fā)生明顯變化。采用傳統(tǒng)的薄板成形極限預(yù)測(cè)模型難以考慮尺度效應(yīng)的影響，預(yù)測(cè)得到的成形極限與實(shí)際不符，所設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)往往落在可成形窗口外，導(dǎo)致成形零件廢品率高。
　　本文圍繞介觀金屬薄板成形極

2、限的精確預(yù)測(cè)，通過金屬薄板微細(xì)成形極限Holmberg和Marciniak實(shí)驗(yàn)，探索了尺度效應(yīng)對(duì)成形極限的影響規(guī)律；引入細(xì)觀損傷力學(xué)方法建立了考慮孔洞演化的介觀成形極限預(yù)測(cè)模型，分析了尺度效應(yīng)對(duì)薄板韌性失效行為的作用過程和機(jī)理，揭示薄板韌性失效行為的尺度效應(yīng)；基于所建立的微細(xì)成形極限預(yù)測(cè)模型，進(jìn)行了微細(xì)流道的可成形性研究并開展了燃料電池極板樣件的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：
　　1)金屬薄板成形極限尺度效應(yīng)的研

3、究
　　針對(duì)薄板成形極限中的尺度效應(yīng)問題，基于Marciniak和Holmberg實(shí)驗(yàn)方法，采用了基于數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）方法的應(yīng)變測(cè)量程序，建立了介觀金屬薄板成形極限測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上對(duì)不同厚度及晶粒尺度金屬薄板的成形極限進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了成形極限中存在的尺度效應(yīng)現(xiàn)象：隨著厚度晶粒比的降低板料可成形性逐漸下降并且重復(fù)性明顯變差，通過斷面分析發(fā)現(xiàn)，尺度效應(yīng)對(duì)孔洞演化和韌性斷裂形式都有顯著影響。
　　2)金屬薄板成形

4、極限失效機(jī)理分析
　　為了揭示尺度效應(yīng)影響下薄板在塑性變形過程中發(fā)生韌性失效的機(jī)理，從不同的材料失效理論（Swift分散性失穩(wěn)/Hill集中性失穩(wěn)準(zhǔn)則，M-K模型，韌性斷裂準(zhǔn)則，細(xì)觀損傷模型）出發(fā)，預(yù)測(cè)了薄板的成形極限。一方面與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，討論不同失效準(zhǔn)則的精度和適用范圍，另一方面從模型的建模思路出發(fā)，分析模型描述的失效過程能否反映尺度效應(yīng)影響下的韌性失效行為。通過研究發(fā)現(xiàn)細(xì)觀損傷模型能夠揭示材料韌性斷裂中的損傷形核長大以至

5、缺陷形成整個(gè)過程的機(jī)理，能夠直觀合理的描述尺度效應(yīng)對(duì)失效過程的本質(zhì)影響。
　　3)考慮尺度效應(yīng)的薄板成形極限預(yù)測(cè)建模
　　在揭示薄板失效行為尺度效應(yīng)規(guī)律基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)介觀薄板成形極限的精確預(yù)測(cè)，基于細(xì)觀損傷力學(xué)理論和材料表面層模型，研究了介觀成形中尺度參數(shù)變化對(duì)薄板材料損傷形核、長大以至連接失效的影響，通過引入厚度晶粒比尺度因子反映尺度效應(yīng)的影響，建立了考慮尺度效應(yīng)的金屬薄板失效損傷模型。利用ABAQUS軟件的VUMAT用

6、戶子程序?qū)p傷模型嵌入到有限元方法中，定量分析了尺度效應(yīng)對(duì)損傷參數(shù)的影響規(guī)律，進(jìn)而建立了考慮尺度效應(yīng)的成形極限預(yù)測(cè)模型。在此基礎(chǔ)上對(duì)不同條件下的成形極限進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，結(jié)果表明有限元結(jié)果與不同尺度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，驗(yàn)證了該模型的精確性。
　　4)薄板微細(xì)成形工藝實(shí)驗(yàn)研究
　　以介觀尺度成形極限預(yù)測(cè)模型為評(píng)價(jià)方法，指導(dǎo)實(shí)際薄板微細(xì)成形工藝設(shè)計(jì)。首先開展了薄板微細(xì)結(jié)構(gòu)內(nèi)高壓成形工藝過程的仿真和分析，驗(yàn)證了模型在介觀薄板成形工藝失

7、效預(yù)測(cè)中的精確性；在仿真分析過程中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)模型對(duì)成形極限的高估是造成燃料電池金屬極板高廢品率的主要原因；以考慮尺度效應(yīng)的成形極限預(yù)測(cè)結(jié)果為指導(dǎo)進(jìn)行了燃料電池極板樣件的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，并開展了極板試樣的內(nèi)高壓成形實(shí)驗(yàn)。
　　本文針對(duì)金屬薄板成形極限中的尺度效應(yīng)，圍繞薄板成形極限尺度效應(yīng)分析、薄板成形極限失效機(jī)理分析、考慮尺度效應(yīng)的成形極限預(yù)測(cè)建模、微細(xì)成形工藝實(shí)驗(yàn)四方面進(jìn)行了詳細(xì)的研究。本文的研究將為微細(xì)條件下的材料失效分析和微細(xì)薄板