粘性介质压力成形有限元分析与实验研究

摘要

粘性介质压力成形作为一种近年来发展起来的板材软模成形方法，已经在航天等领域得到了较好的应用。由于粘性介质压力成形过程板材与粘性介质耦合变形特点，借助有限元分析方法进行分析是十分必要的，但是，现有的有限元方法均不能对这一变形行为进行分析。本文对粘性介质压力成形有限元分析关键技术进行了分析，提出了板材与粘性介质耦合变形有限元处理方法，对粘性介质压力胀形和拉深过程进行有限元分析。
　　粘性介质的力学性能是粘性介质压力成形的主要影响因素，目前还缺少深入的理解和材料模型。本文通过剪切蠕变、回复实验方法，对典型粘性介质材料流变性能进行了研究分析，确立了粘性介质为粘弹塑性性质，并建立了粘弹塑性材料本构模型，比较已有的简化模型全面地反映了粘性介质的性质，为粘性介质的选择和成形过程数值模拟优化提供了理论依据。
　　板材与粘性介质界面之间粘着应力作用是粘性介质压力成形区别于其它板材成形方法的重要特点之一，由于其界面作用涉及到粘性介质的高压流动与板材变形的耦合作用，不易确定板材在粘着应力作用下的变形行为。本文提出了板材与粘性介质界面之间粘着应力试验装置原理，可以将粘着应力作为板材拉伸力，直接测量粘着应力对板材变形的作用。采用自主设计和研制的粘着应力试验装置，获得了板材与粘性介质界面之间粘着应力的实验数据，首次建立了粘着应力数学模型，考虑了粘性介质粘度、压力及剪切应变率等因素，较已有的近似摩擦模型真实的反映了板材与粘性介质界面相互作用，为粘性介质压力成形过程板材与粘性介质耦合变形有限元分析提供了数学模型。
　　针对粘性介质压力成形过程板材与粘性介质耦合变形特点，引入了粘着应力数学模型，建立了基于罚函数法的板材与粘性介质界面接触处理算法，提出了弹塑性板材与粘弹塑性体耦合变形的有限元分析方法，较已有的近似、简化有限元模型真实的反映了粘性介质压力成形过程板材弹塑性变形和粘性介质粘弹塑性体变形。采用二维截面近似方法，基于上述算法开发了粘性介质压力成形二维截面有限元分析程序，为粘性介质压力成形提供了适合的分析工具。
　　采用开发的粘性介质压力成形二维截面有限元分析程序，对板材圆模粘性介质压力自由胀形过程和铝合金阶梯形零件及圆锥形零件的粘性介质压力成形过程进行了分析，将有限元分析结果与试验结果进行了对比，二者具有较好的吻合性。
　　最后，将基于能量法的起皱准则和基于损伤理论的破裂准则引入开发的耦合变形二维截面有限元分析程序中，预测了板材粘性介质压力成形过程起皱和破裂产生的过程和特点。

目录

粘性介质压力成形有限元分析与实验研究

FINITE ELEMENT ANALYSIS ANDEXPERIMENTAL RESEARCH FORVISCOUS PRESSURE FORMING

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 板材成形过程中界面摩擦影响

1.3 板材软模成形数值模拟研究现状

1.3.1 数值模拟的特点

1.3.2 软模加载方法

1.3.3 数值模拟应用

1.3.4 软模成形数值模拟关键技术问题

1.4 粘性材料力学性能实验方法及有限元分析研究

1.4.1 粘性材料力学性能实验方法

1.4.2 粘性材料变形有限元数值模拟

1.5 本课题研究的意义及主要研究内容

第2章 粘性介质粘弹塑性本构模型建立

2.1 引言

2.2 粘弹塑性材料模型

2.3 粘性介质剪切流变性能研究

2.3.1 实验原理及实验装置

2.3.2 实验方案

2.3.3 实验结果分析

2.4 粘性介质粘弹塑性模型参数确定

2.4.1 粘弹性参数确定

2.4.2 粘塑性参数确定

2.4.3 剪切模量和泊松比确定

2.5 本章小结

第3章 粘性介质切向粘着应力试验研究

3.1 引言

3.2 板材／粘性介质界面粘着应力

3.3 粘着应力拉伸试验

3.3.1 试验原理

3.3.2 试验用材料

3.3.3 粘着应力拉伸板材受力分析

3.3.4 试验结果分析

3.4 粘着应力数学模型建立

3.4.1 粘性介质粘度影响因素

3.4.2 粘着应力数学模型建立

3.5 本章小结

第4章 板材粘性介质压力成形二维截面分析有限元模型

4.1 引言

4.2 Mindlin 轴对称壳单元有限元分析模型

4.2.1 运动学描述

4.2.2 位移描述

4.2.3 应变计算

4.2.4 坐标变换

4.3 耦合变形本构方程描述

4.3.1 弹塑性本构模型

4.3.2 粘弹塑性本构模型

4.4 有限元方程

4.4.1 耦合变形虚功率增率原理

4.4.2 耦合变形有限元列式

4.5 数值算例

4.5.1 板材成形二维截面有限元分析算例

4.5.2 粘弹塑性体挤压变形数值模拟

4.6 本章小结

第5章 板材粘性介质压力成形截面有限元分析关键技术处理

5.1 引言

5.2 耦合变形界面接触摩擦处理

5.2.1 接触问题描述

5.2.2 接触力的计算

5.2.3 等效接触力计算

5.2.4 有限元列式

5.2.5 接触搜索处理

5.2.6 罚因子的选择

5.3 时间积分方法

5.3.1 弹塑性变形载荷增量步长控制

5.3.2 接触状态载荷增量步长控制

5.3.3 粘弹塑性变形载荷增量步长控制

5.4 增量过程应力与塑性应变计算

5.5 板材／粘性介质粘附和滑动变形过程数值模拟

5.6 本章小结

第6章 粘性介质拉深成形过程有限元分析与缺陷预测

6.1 引言

6.2 粘性介质圆模自由胀形过程有限元分析

6.2.1 有限元分析模型

6.2.2 粘着应力对试件应变分布的影响

6.2.3 粘着应力对试件壁厚分布的影响

6.2.4 粘着应力对试件最大减薄位置变化的影响

6.3 铝合金阶梯形零件粘性介质拉深成形有限元分析

6.3.1 有限元分析模型

6.3.2 铝合金阶梯形件变形过程分析

6.3.3 粘着应力对应力分布的影响

6.3.4 粘着应力对应变分布的影响

6.3.5 粘着应力对壁厚分布的影响

6.3.6 粘着应力对法兰区域尺寸减少量的影响

6.3.7 粘着应力对成形载荷的影响

6.3.8 铝合金阶梯形零件粘性介质拉深成形试验验证

6.4 圆锥形件粘性介质拉深成形数值模拟

6.4.1 有限元分析模型

6.4.2 试验验证

6.5 板材粘性介质压力成形过程起皱和破裂预测

6.5.1 基于能量法的C-B 起皱准则

6.5.2 基于Lemaitre 损伤理论的韧性断裂准则

6.5.3 板材成形过程起皱及破裂预测的实现

6.5.4 粘性介质拉深成形零件法兰区起皱预测

6.5.5 粘性介质压力成形零件破裂预测

6.6 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历