金屬成形過(guò)程的細(xì)觀損傷力學(xué)模型及韌性斷裂準(zhǔn)則研究.pdf

1、金屬塑性成形技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，而且還能有效改善工件的力學(xué)性能，在金屬零件制造過(guò)程中占據(jù)了重要的地位。在金屬塑性成形領(lǐng)域內(nèi)，金屬材料的成形性能（可加工性能）的研究一直是人們關(guān)注的課題，而金屬的損傷和韌性斷裂是影響成形性能的重要因素。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展以及金屬塑性流動(dòng)理論的日臻完善，利用數(shù)值模擬技術(shù)，可以準(zhǔn)確計(jì)算金屬成形過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變等物理量的分布，但對(duì)成形過(guò)程中斷裂等缺陷的預(yù)測(cè)尚不夠成熟

2、，這是塑性成形過(guò)程模擬技術(shù)推廣應(yīng)用的一個(gè)瓶頸問(wèn)題。
　　 金屬韌性斷裂是損傷累積的結(jié)果。金屬成形中工件的破裂通常要經(jīng)歷以下的過(guò)程：微孔洞的形核、長(zhǎng)大、聚合直至產(chǎn)生塑性變形局部化，最終產(chǎn)生宏觀裂紋。細(xì)觀損傷力學(xué)模型以孔洞演化理論為基礎(chǔ)，從物理本質(zhì)上反映了材料微觀結(jié)構(gòu)的劣化最終導(dǎo)致材料失效斷裂過(guò)程。但是細(xì)觀損傷力學(xué)模型本身存在一些理想化的假設(shè)，引入了一些試驗(yàn)難以測(cè)定的模型參數(shù)，因此沒(méi)有在工程中得到廣泛應(yīng)用。合理地確定這些模型參數(shù)是將

3、細(xì)觀損傷模型正確地應(yīng)用于工程分析的必要條件。韌性斷裂準(zhǔn)則是預(yù)測(cè)金屬材料發(fā)生斷裂的判據(jù)，已有的韌性斷裂準(zhǔn)則還只能針對(duì)特定加工工藝中的破裂進(jìn)行預(yù)測(cè)。金屬成形工藝的多樣性要求韌性斷裂準(zhǔn)則應(yīng)該具有寬闊的適用范圍。本文針對(duì)細(xì)觀損傷力學(xué)模型和韌性斷裂準(zhǔn)則及其在金屬成形有限元模擬中的應(yīng)用進(jìn)行了較為深入的研究，主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　 提出了一組誤差評(píng)價(jià)函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)細(xì)觀損傷模型模

4、擬工程金屬材料宏觀力學(xué)行為的準(zhǔn)確度，從而合理地選取GTN模型參數(shù)，并進(jìn)行了孔洞形核參數(shù)的優(yōu)化。
　　 根據(jù)能量最小原理，建立了孔洞聚合的分析模型，推導(dǎo)了三維孔洞體胞模型中臨界斷裂時(shí)的等效應(yīng)變與孔洞體積分?jǐn)?shù)之間的函數(shù)關(guān)系。對(duì)單向拉伸試件斷口處的孔洞體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明：本文提出的該函數(shù)關(guān)系比依據(jù)二維孔洞體胞模型推導(dǎo)的函數(shù)關(guān)系更接近于試驗(yàn)的結(jié)果。
　　 比較和評(píng)價(jià)了工程中常用的六種韌性斷裂準(zhǔn)則的適用范圍和準(zhǔn)確度。依據(jù)

5、試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，將金屬成形過(guò)程中的韌性斷裂機(jī)制分為拉伸型和剪切型兩種類(lèi)型，提出了一個(gè)適用于不同變形路徑的統(tǒng)一形式的韌性斷裂準(zhǔn)則。數(shù)值模擬結(jié)果與拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、先扭轉(zhuǎn)再拉伸等材料試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了該準(zhǔn)則在不同變形方式下都具有較高的準(zhǔn)確性。
　　 將新建立的韌性斷裂準(zhǔn)則應(yīng)用于金屬板料成形和體積成形工藝中的韌性斷裂預(yù)測(cè)。采用經(jīng)過(guò)單向拉伸預(yù)變形的板料進(jìn)行拉深試驗(yàn)，結(jié)果表明采用本文提出的韌性斷裂準(zhǔn)則比成形極限圖(FLD)能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)