AA6016铝合金断裂过程的孔洞演化模拟

摘要

当前，汽车轻量化成为解决能源消耗、环境问题和安全性的一种有效手段，其中铝合金钣金件由于其优秀的延展性和较轻的材料密度而被汽车行业广泛应用。本文以常用的车用铝合金材料AA6016钣金件为研究对象，研究其在成型过程中钣金件破裂、起皱的形成机理。鉴于常见的塑性材料研究方法，仅考虑材料在塑性成型的过程，而未考虑材料在塑性阶段后的损伤破坏问题。为解决该问题，本文选择能够同时考虑宏观和微观损伤的GTN（Gurson-Tvergaard-Needleman）损伤本构模型，对AA6016铝合金钣金件进行了有限元仿真，分析了AA6016铝合金钣金件在拉伸过程中的内部孔洞的演化过程。
　　本研究主要内容包括：①通过平板样件的单轴拉伸实验说明，AA6016的失效应变为0.215，其断裂方向与拉伸方程呈63°。而通过电镜扫面实验观察AA6016铝合金的断口形貌，可分析出其失效端存在明显的塑性流动现象和大量的微孔洞。这说明 AA6016铝合金为超塑性材料，对其进行相应的失效分析可采用基于弹塑性流动和孔洞演化的GTN本构模型。②根据GTN本构模型的基本理论，编写基于LS-DYNA软件的材料本构子程序UMAT。通过有限元反求方法，确定AA6016铝合金材料的GTN模型的损伤参数。平板样件的有限元分析结果显示，AA6016铝合金的断裂方向与拉伸方向呈60°，而单轴拉伸实验结果为63°，两者结果基本吻合。说明AA6016铝合金材料的GTN损伤参数基本满足实际需要。③根据GTN本构模型的状态方程关系式，分别讨论AA6016铝合金材料的GTN损伤参数：形核粒子体积分数、临界孔洞形核系数、初始孔洞体积分数、孔洞长大加速因子对孔洞演化的影响。结果显示：形核粒子体积分数对GTN参数拟合作用最大，而初始孔洞体积分数所代表的物理意义为材料生产加工中产生的初始微裂纹/微孔洞，其直接影响AA6016铝合金材料的力学性能。

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1 绪 论

1.1 工程背景

1.2 钣金成型的国内外现状

1.3 损伤力学理论的研究状况

1.4 细观损伤力学的研究现状

1.5 本章主要研究内容及意义

2 GTN损伤理论

2.1 引言

2.2 Gurson损伤模型及其发展

2.3 GTN损伤模型及其理论

2.4 GTN损伤参数的确定

2.5 GTN损伤本构模型的数值实现

2.6 本章小结

3 GTN本构程序化和AA6016实验

3.1 引言

3.2 LS-DYNA用户二次开发流程

3.3 平板样件实验方法

3.4 GTN实验参数的确定

3.5 电子显微镜扫描实验

3.6 本章小结

4 平板样件的仿真及GTN不同损伤参数的影响

4.1 引言

4.2 GTN模型参数的确定

4.3 平板样件仿真分析

4.4 GTN模型损伤参数的影响

4.5 本章小结

5 主要结论与展望

5.1 主要结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A．GTN损伤模型的部分数学推导

B．作者在攻读学位期间发表的论文目录：

C．作者在攻读学位期间参与的项目研究目录：