应力及应力场的可视化及其在塑性加工中的应用

摘要

材料的变形和流动规律是金属塑性加工问题的主要研究内容之一，塑性加工力学的主要研究方法包括解析方法、实验方法和数值方法。可视化方法是在上述方法的基础上发展起来的一种新的分析方法。利用该方法不仅可以对理论计算结果、实验测量结果以及数值模拟结果进行直观显示和描述，还可以对这些结果进行深入处理和分析。因此，该方法越来越受到塑性加工领域研究人员的重视。　　本文首先介绍了塑性加工问题的主要分析方法，讨论了几种方法的适用范围和优缺点，重点讨论了可视化方法的主要研究内容及其在塑性加工领域的应用，阐述了研究塑性加工问题可视化分析方法及其应用的意义。　　首次利用三维图形描述了过一点不同斜面上正应力、剪应力的变化，讨论了图形的物理意义及其与应变类型、尺寸变化趋势之间的内在联系。从不等式、坐标系旋转以及数值计算三种不同角度分析了应力摩尔圆的构成过程及其用于三维问题的缺点，给出了能够形象描述正应力、剪应力变化的三维图形。　　首次给出了描述应力空间一点不同斜面上全应力变化的三维图形，讨论了该图形的物理意义及其与传统应力椭球面的关系。明确给出了全应力、剪应力作用方向的确定公式，并给出了八面体剪应力和十二面体主剪应力的示例。　　利用正应力、剪应力三维图形，对典型平面应力问题和轴对称问题进行了分析。通过绘制典型点的正应力、剪应力图形，可以非常直观地判断材料的变形类型以及尺寸变化趋势等信息，这为进行塑性加工过程分析，特别是在有限元数值模拟的后处理过程中进行变形的分析与控制提供了有效手段。　　通过实验方法，研究了多曲率旋转壳体胀形过程中变形的发生、发展规律，重点分析了曲率对壳体变形规律的影响。　　本文还讨论了应力场中主要标量和矢量的可视化方法。利用静水应力等值线，分析了变形点的流动与静水应力分布的关系；通过绘制罗德系数等值线，分析了静水压力对方坯压缩过程中材料变形类型的影响；通过绘制罗德系数时线，分析了壳体胀形过程中典型点的应变类型以及壁厚的变化；通过绘制等值线图，分析了不变量J2与材料的屈服及强化之间的关系；通过绘制平面曲线和空间三维曲面，分析了不变量J3与罗德系数的关系。给出了应力场中矢量的点图标描述方法，并利用点图标方法对壳体胀形过程中典型点的尺寸变化进行了描述和分析。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

第1章绪论

1.1引言

1.2塑性成形问题及其主要分析方法

1.2.1解析方法

1.2.2实验方法

1.2.3数值方法

1.3可视化方法及其在塑性成形问题中的应用的研究进展

1.3.1可视化方法简介

1.3.2可视化方法主要研究内容

1.3.3三维空间数据场可视化方法

1.3.4可视化方法在塑性成形问题中的应用

1.4本课题的研究目的和意义及主要研究内容

第2章正应力、剪应力的可视化

2.1引言

2.2正应力三维图形

2.2.1应力张量正应力三维图形

2.2.2应力偏量正应力三维图形

2.3剪应力三维图形

2.4应力摩尔圆的构成及其缺点

2.4.1由不等式确定的三向应力摩尔圆

2.4.2由坐标系旋转构成的三向应力摩尔圆

2.4.3由数值计算确定的三向应力摩尔圆

2.5正应力、剪应力复合三维图形

2.6本章小结

第3章全应力的可视化

3.1引言

3.2全应力三维图形

3.2.1应力椭球面及其缺点

3.2.2全应力三维图形及其与应力椭球面的关系

3.3剪应力作用方向

3.3.1剪应力作用方向确定方法

3.3.2 八面体剪应力及十二面体主剪应力

3.4本章小结

第4章应力可视化在平面应力及轴对称问题分析中的应用

4.1引言

4.2正应力图形在平面应力问题中的应用

4.2.1两端开口无限长薄壁管的胀形

4.2.2两端封闭有限长薄壁管的胀形

4.2.3薄壁球壳的胀形

4.3正应力和剪应力图形在轴对称问题中的应用

4.3.1单向拉伸问题

4.3.2拉拔问题

4.3.3挤压问题

4.4本章小结

第5章多曲率旋转壳体胀形实验研究及典型点的正应力图形分析

5.1引言

5.2多曲率旋转壳体胀形实验研究

5.2.1结构设计及测点布置

5.2.2实验过程和现象

5.2.3实验结果分析

5.2.4趋球原理

5.3利用正应力图形分析壳体胀形

5.3.1有限元模拟

5.3.2正应力图形分析

5.4本章小结

第6章应力场的可视化及其应用

6.1引言

6.2标量场的可视化及其应用

6.2.1静水应力与材料的流动方向

6.2.2罗德系数与变形类型

6.2.3罗德系数与变形过程

6.2.4不变量J2与材料的屈服和强化

6.2.5不变量J3与变形类型

6.3矢量场的可视化及其应用

6.3.1主应力分布

6.3.2主应变分布

6.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士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及使用授权书

致谢

个人简历